La instrumentación virtual en el estudio de la electrónica

XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
La instrumentación virtual en el estudio de la electrónica
Aurelio Beltrán Telles
Miguel Eduardo González Elías
Claudia Reyes Rivas
Rafael Villela Varela
Alejandro Chacón Ruíz
Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
Universidad Autónoma de Zacatecas
E–mail: [email protected]
Resumen
Se estableció el funcionamiento de dispositivos electrónicos de potencia,
como los rectificadores controlados de silicio (SCR), transistores bipolares de
compuerta aislada (IGBT) y transistores efecto de campo MOSFET, con el
propósito de desarrollar Inversores, Troceadores y Convertidores de Corriente
Directa CD–CD, empleados en el control de velocidad de motores industriales
de corriente directa y alterna.
Mediante el análisis de los componentes y el uso de los programas como
el Orcad PSpice y el de Instrumentación virtual LabView de National Instruments,
se dispone de la herramienta virtual necesaria para el estudio de la electrónica
en la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica. La propuesta consiste en la
presentación de una serie de prácticas encaminadas a mejorar el proceso de
enseñanza–aprendizaje, haciendo uso de las herramientas disponibles en el
laboratorio.
En la actualidad, el Laboratorio de Electrónica y Circuitos cuenta con seis
módulos de trabajo NI ELVIS, el Software de LabView y herramientas como la
simulación de circuitos en el programa Pspice Orcad, lo que permite al
alumno familiarizarse con las tarjetas de adquisición de datos DAQ, reafirmar el
conocimiento obtenido en clase, y prepararse para otros cursos más
avanzados. Estos experimentos complementan las actividades realizadas en
los laboratorios de control automático, robótica y comunicaciones, donde se
1
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
cuenta con los módulos de National Instruments Educational Laboratory Virtual
Statement, empleados en las prácticas y en el desarrollo de proyectos.
Palabras clave: Instrumentación Virtual, NI ELVIS, Simulación, DAQ, PSpice.
Introducción
Con el fin de mejorar el proceso a través del cual los estudiantes aplican el
conocimiento teórico a tareas prácticas, se compraron equipos de adquisición
de datos para los laboratorios. Hoy se cuenta con seis Módulos NI ELVIS
(Educational
Laboratory
Virtual
Statement)
de
la
Compañía
National
Instruments, figura 1. Estos equipos cuentan con una computadora y software
de LabView, con tarjeta de adquisición de datos PCI–MIO–16E–1 y con el
módulo ELVIS; gracias a ellos, doce alumnos realizan su práctica al mismo
tiempo.
Figura 1. Módulo NI ELVIS.
El procedimiento de la práctica consta de cuatro pasos: se analiza el circuito,
haciendo el cálculo de las condiciones de operación y de las variables
2
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
involucradas; se hace la simulación del circuito en PSpice; se establecen los
valores de las variables de interés y, finalmente, se arma el circuito en el
laboratorio y se miden las variables para compararlas entre los diferentes
resultados. Pero al momento de armar los circuitos en el PROTO, son comunes
los errores, ya sea porque los componentes están en mal estado o por fallas
humanas, pero a fin de corregirlos, de familiarizar al alumno con la
herramienta [1] y de lograr mayor precisión en los resultados, se utiliza la tarjeta
de adquisición de datos y se programa la obtención de las variables de interés
en LabView.
Desarrollo
A fin mostrar el modo en que trabaja la tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ) y
el programa LabView, se ilustra una de las prácticas llevadas a cabo en el
laboratorio
de
electrónica,
donde
se
pretende
determinar
la
curva
característica del diodo rectificador 1N4001.
CHAI0+
CHAO0+
R1
R1
1k
V1
1k
V1
0Vdc
CHAI0-
0Vdc
CHAI1+
D1
D1
D1N4001
I
D1N4001
CHAO0-
CHAI1-
0
0
Figura 2. Circuito utilizado en las pruebas con los
programas LabView y Orcad.
3
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
El proceso práctico consiste en establecer varios puntos (valores) de voltaje del
diodo VD y corriente en el diodo ID al variar la fuente de tensión, como se
indica en la figura 2. Después de graficarse los valores en un plano cartesiano
(VD, ID), se tiene la respuesta del diodo tanto de polarización en sentido directo,
como inverso [2].
Al utilizar el software de simulación se obtiene la gráfica (VD, ID) del
dispositivo, herramienta cuyo procedimiento es el mismo que el que se sigue
en la práctica; el análisis DCSweep simula la variación del voltaje aplicado al
circuito, al indicar el valor inicial, final y su incremento. Este programa facilita el
estudio de los resultados y su guardado con un margen de error mínimo, para
después estudiarlos y compararlos con los resultados de la simulación, o bien,
para conocer el procedimiento completo [2][3].
Por medio de la herramienta de simulación se diseñó un programa que
genera el voltaje aplicado al circuito por incrementos, utilizando las salidas de
la tarjeta de adquisición de datos y el módulo NI ELVIS para comunicarse con
el circuito y hacer la medición de las variables deseadas (VD, ID), ver figura 3.
Figura 3. Programas de Orcad y LabView para la variación de los incrementos
de voltaje aplicados al circuito que se analiza.
Después se realizó el programa a partir del cual se obtiene la gráfica de la
curva característica del diodo, se guarda los datos, se tienen los valores de
4
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
voltaje inicial, final y número de incrementos deseados, y cuyo panel frontal es
el que utiliza el usuario, según aparece en la figura 4.
Figura 4. Panel frontal del programa trazador de curva
característica del diodo en LabView.
En la figura 4, se aprecia que el usuario tiene las opciones de: dar los valores
de voltaje inicial, final y número de puntos deseados, así como elegir entre la
curva de polarización directa o inversa. Al final, si los datos son los esperados,
se capturan, lo cual se observa en el instrumento virtual del lado derecho,
indicado como osciloscopio y se elige la opción guardar datos
Resultados
En la primera práctica de la materia de electrónica se observó entre los
alumnos un mayor dominio del conocimiento, un buen empleo en la
instrumentación virtual [1],[2],[3], [4] y un mayor interés por el funcionamiento
del equipo y la programación del mismo. También se realiza la programación
de otros experimentos con los que se renovaría el laboratorio de electrónica.
En la figura 5, se muestran las gráficas de los resultados prácticos y de los
simulados, y la comparación de los resultados se muestra en la tabla 1.
5
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
Figura 5. Resultados prácticos obtenidos utilizando LabView
y los simulados con Orcad PSpice.
Tabla 1. Resultados obtenidos utilizando LabView y Orcad PSpice
LABVIEW
ORCAD PSPICE
V(CIRCUITO)
V(DIODO) (V) I(DIODO) (A) V(DIODO) (V) I(DIODO)
(V)
(A)
0
0.005
0
2.27E-20
8.11E-16
0.526
0.449
0
4.45E-01
8.1709E-05
1.053
0.537
0.001
5.39E-01
5.14E-04
1.579
0.571
0.001
5.73E-01
1.01E-03
2.105
0.591
0.002
5.94E-01
1.51E-03
2.632
0.605
0.002
6.09E-01
2.02E-03
3.158
0.615
0.003
6.21E-01
2.54E-03
3.684
0.625
0.003
6.31E-01
3.06E-03
4.211
0.635
0.004
6.39E-01
3.57E-03
4.737
0.64
0.004
6.46E-01
4.09E-03
5.263
0.645
0.005
6.52E-01
4.61E-03
5.789
0.649
0.005
6.57E-01
5.13E-03
6.316
0.654
0.006
6.62E-01
5.65E-03
6.842
0.659
0.006
6.67E-01
6.18E-03
7.368
0.664
0.007
6.71E-01
6.70E-03
7.895
0.669
0.007
6.75E-01
7.22E-03
8.421
0.669
0.008
6.78E-01
7.74E-03
8.947
0.674
0.008
6.82E-01
8.27E-03
9.474
0.679
0.009
6.85E-01
8.79E-03
10
0.679
0.009
6.88E-01
9.31E-03
6
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
Conclusiones
Para concluir se compararon los resultados obtenidos entre la Instrumentación
Virtual y los de la simulación, no se encontraron diferencias a considerar.
Asimismo el disponer de la instrumentación virtual en la enseñanza de la
electrónica y circuitos permite:
• Tener el equipo necesario para experimentar con circuitos en un solo
módulo, con una computadora, una tarjeta de adquisición de datos y el
módulo NI ELVIS.
• Simular el comportamiento del circuito, analizar los resultados y compararlos
con los reales, obtenidos a partir del cálculo teórico y de la instrumentación
virtual,
son
herramientas
importantes
dentro
de
la
adquisición
del
conocimiento.
• Incrementar las habilidades de los estudiantes para lograr una óptima
inserción en el proceso productivo, donde día con día se hace uso de la
tecnología.
7
XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
Bibliografía
[1] SHIELDS Tracy “Practical teaching ideas with multisim 10”, 7th Enlarged Edition
National Instruments, 2007.
[2] KNOBLICH Ingo and Philipp Krauss, National Istruments Munich, Germany “Add
some SPICE to distance and blended learning”, Rev 2007 www.rev–
conference.org
[3] SIRINTERLIKCI Arif “Integration of virtual instrumentation into a compressed
electricity and electronic curriculum”, Proceedings of the 2005 American
Society
for
Engineering
Educational
Annual
Conference
&
Exposition
Copyright©, American Society for Engineering Education.
[4] TRZYNADLOWSKI Andrzej M., “Introduction to modern power electronics”, A
Wiley– Interscience publication, John Wiley & Sons, Inc. 1998.
8