Diseño e Implementación de un Convertidor DC

Revista Colombiana de Física, vol. 40, No. 1, Abril 2008
Diseño e Implementación de un Convertidor DC-AC Para Excitación
con Pulsos Rectangulares de un Piezoactuador de PZT
A. Carmona, M. Arroyave, J.M. Jaramillo
Universidad EAFIT, Departamento de Ciencias Básicas, Carrera 49 No. 7 Sur- 50
Recibido 22 de Oct. 2007; Aceptado 3 de Mar. 2008; Publicado en línea 15 de Abr. 2008
Resumen
En este trabajo se presenta el diseño y la implementación de un circuito convertidor de potencia (DC-AC) para excitar con
pulsos rectangulares un actuador piezoeléctrico de Titanato Circonato de Plomo (PZT). El actuador de PZT hace parte de
un sistema para ataque químico anisotrópico de silicio por vía húmeda, asistido por ultrasonido. Dado que la utilización de
ultrasonido en estos sistemas juega un papel crucial en el aumento en la velocidad de ataque y la disminución de la rugosidad de la superficie final, se ha desarrollado un circuito de control con un microcontrolador que permite modificar la amplitud de vibración y la potencia; además de generar barridos en frecuencia para explotar las diferentes ramas de resonancia
del piezoactuador, inclusive la frecuencia principal. La etapa de potencia fue configurada en topología de puente H, con
transistores MOSFET. Las señales de control se acoplaron opticamente a los transistores, para evitar trastornos inducidos
por la potencia en la etapa de control, y para generar una referencia flotante en la parte alta del puente. Las ramas de resonancia se han identificado por medio de los cambios de amplitud y forma de la señal de excitación del piezoactuador a medida que se realizan excursiones de frecuencia en la misma.
Palabras claves: PZT, piezoactuador, ultrasonido, puente H, ataque anisotropico.
Abstract
In this work the design and the implementation of DC/AC converter as power supply for a PZT actuator is presented. The
PZT actuator is used in a wet chemical etching system for silicon machining assisted with ultrasound. The ultrasound plays
a very important rol in the etching rate increase and low roughness final surfaces. For this reason the control circuit was developed with a microcontroller for easy changes in the parameters of the converter, such as amplitude, frequency, and power. The power stage was implemented in H-bridge topology with MOSFET transistors. The control signals were optically
coupled with the transistors for protect the logical system and floating potential supply. The resonance conditions for the
PZT actuator were identified across the changes in amplitude and shape of the signal applied to PZT when the sweeping in
frequency were realized.
Key Words: PZT, piezoactuator, ultrasound, H-Bridge, anysotropic etching.
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1. Introducción
disminuir las pérdidas de potencia por conmutación. Otra de
las ventajas de la topología del puente H, es la posibilidad
de duplicar el voltaje de salida con relación al voltaje de
alimentación del puente. Para altas frecuencias se recomienda la utilización de transistores MOSFET de potencia
junto con manejadores de compuertas integradas y optoacopladas. La etapa de control se realiza típicamente empleando temporizadores de acuerdo a las exigencias del circuito,
Los actuadores piezoeléctricos de PZT son materiales cerámicos compuestos de Pb(ZrxTi1-x)O3. Estas son la base de
muchos de los transductores piezoeléctricos de actual uso,
debido a sus altos parámetros de polarización y alta linealidad. Los circuitos típicos de excitación para piezoeléctricos
de PZT son convertidores de potencia DC-AC tipo puente
H, operados en condición ZVS (zero voltaje switching) para
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rev. col. fís.(c), vol. 40, No. 1, (2008)
2. Detalle Experimental
Los actuadores de PZT deben ser excitados con señales
alternas (AC) que induzcan un máximo desplazamiento en
torno a su posición basal, las señales de excitación deben
permitir estados de relajación en donde haya ausencia momentanea de corriente, para disminuir los efectos de disipación termica en el material, adicionalmente el suministro de
potencia debe suministrar voltajes de varias decenas de
voltios, de amplitud pico a pico. Estas exigencias pueden
ser cumplidas por circuitos convertidores resonantes de
forma de onda cuadrada, más conocidos como puentes H
completos. Los puente H son implementados comúnmente
con transistores de potencia tipo IGBT, y también con
MOSFET, dada su capacidad de conmutar potencia, bien
sea soportando alta corriente en modo de conducción o alto
voltaje en modo de apagado. La configuración usual del
puente H completo, incluye 4 transistores en cuadratura,
cuya encendido y apagado debe ser cuidadosamente sincronizado, para proveer inversión de corriente en la carga, en
regimenes de baja a alta frecuencia, como se observa en la
figura 1.
Dado que la aplicación de señal debe ser complementaria
(desfase de 180º) en los transistores Q1-Q4 y Q2-Q3, para
forzar a la corriente a que circule por la carga, puede generarse una condición de corto circuito en la rama Q1-Q2 o
Q3-Q4; entonces es necesario adicionar un retardo para que
las señales de compuerta de estos transitores no coincidan
en el mismo instante en estados de activación. En este desarrollo se ha utilizado una red de retardo RC en el lazo directo de propagación de un circuito con compuertas AND y
NOT. En la figura 2, se ve el circuito con compuertas lógicas TTL y la red de retardo, la señal es tomada de un generador de pulsos, en caso concreto una señal generada por el
PIC. El tiempo carateristico de la red, τ, más el tiempo en
Fig.1 Equema de la configuración general de un puente H completo.
Fig.2 Circuito de retardo para las señales de activación de MOSFET.
40
Q2-Q3
Q1-Q4
30
Voltaje (V)
por ejemplo, el circuito integrado LM555 es utilizado en
estas aplicaciones [1]. Diferentes investigadores, al estudiar
el ataque químico del silicio, encontraron que la rugosidad
de las superficies de los planos (100) comparada con las
otras orientaciones cristalográficas, es la menor de todas [2,
3]. Las características de esta rugosidad han sido estudiadas
por diferentes grupos [4, 5]. Una forma de obtener un buen
control en la uniformidad de las estructuras obtenidas por el
ataque químico anisotrópico, es realizar la agitación del
sistema empleando ultrasonido[6]. En este trabajo se presenta la implementación de un puente H completo controlado, para la excitación de un actuador piezoelécgtrico de
PZT, utilizado en un reactor de ataque químico anistrópico,
para la corrosión controlada de silicio por vía húmeda asistida por ultrasonido.
20
2μs
2μs
10
0
-0,00002
-0,00001
0,00000
0,00001
0,00002
tiempo (s)
Fig.3 Señales reales de activación para el puente desfasada y
retardada.
que tarda en atravesar la señal todo el circuito lógico, generan el retardo adicional requerido. En la figura 3 se pueden
ver las dos señales obtenidas para la activación de los transistores MOSFET; el retardo se ha implementado de
aproximadamente 2μs. En ella se aprecia tanto la característica complementaria entre las dos señales, como el retardo
en los puntos de transición.
Otro requerimiento para el manejo del puente es la independizacion de las señales de compuerta del circuito lógico que
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A. Carmona et al.: Diseño e Implementacion de un Convertidor DC-AC Para Excitacion con Pulsos Rectangulares de un Piezoactuador de PZT
Fig.4 Equema de la configuración general del puente H implementado.
señal aplicada al PZT a la frecuencia fundamental de resonancia, lo cual no implica un factor influyente en la aplicación final.
30
Salida carga R
Voltaje (V)
20
10
0
-10
-20
-30
-0,00010
-0,00005
0,00000
0,00005
0,00010
tiempo (s)
Fig.5 Señal de salída del puente aplicada a una carga puramente
resistiva.
3.Conclusiones
Se ha implementado un circuito convertidor DC-AC para
excitación de un piezoactuador de PZT. El circuito se ha
realizado con aislamiento óptico para proteger la etapa de
señal de la de potencia, con manejadores específicos para
activación de los transistores de potencia. La señal de activación de los transistores se genera con un microcontrolador
PIC, desde el cual se puede cambiar su ciclo útil y la frecuencia. Se ha obtenido una baja distorsion armonica de la
162
Salida carga RLC
40
Voltaje (V)
las genera, esto se logra utilizando dispositivos de aislamiento óptico de alta velocidad, en el montaje aquí propuesto se utilizaron optpiasladores H11L1, los cuales presentaron una baja distorsion armonica de señal hasta frecuencias
de 140khz. En esta implementacion también fue necesario
adicionar un circuito que permitiera independizar los incrementos en la tensión de salida del puente de los niveles
lógicos de compuerta, lo que se logro con los manejadores
IR2110, que generan un potencial flotante de compuerta
para la parte alta del puente (Q1 y Q4). En la figura 4 se
observa un esquema del circuito finalmente implementado.
Los cambios de amplitud en la salida del puente se tienen
modificando el ciclo útil de la señal de salida del microcontolador, de manera que:
t
Vsal = Vcc on
(1)
ton + toff
La señal de salida se ha aplicado inicialmente a una carga
puramente resistiva con el fin de observar la distorsion
armonica causada solo por el puente (fig.5). Posteriormente
se ha aplicado al piezoeléctrico de PZT cuya frecuencia de
resonancia fundamental es de 42khz. En este caso se observo una distorsion armonica diferente al caso resitivo, dado
que el circuito equivalente del PZT es un circuito serie
RLC, para cada componente frecuencial de resonancia
(fig.6).
20
0
-20
-40
-0,00006
-0,00004
-0,00002
0,00000
0,00002
Tiempo (s)
0,00004
0,00006
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Fig.6 Señal de salída del puente aplicada al piezoeléctrico.
Agradecimientos
Este trabajo se ha realizado con el apoyo de la Fundación
Banco de la Republica a través del proyecto 2.003 y de la
Universidad EAFIT, por lo cual los autores agradecen especialmente.
Referencias
[1] A. Lozano, H. Amaveda, et al., Journal of Fluids Engineering,
941-945, 2003
[2] Kovacs, N. Maluf, K. Petersen, Bulk micromachining of
silicon, 1536-1551, 1998
[3] G. Zaracky, Electrochemical Society, 102-117, 1997
[4] K. L. Yau, Microelectronic engineering, 217, 1997
[5] S. A. Campbell, K. Cooper, et al., Journal Micromechanical
and Microengeneering, 209-218, 1995
[6] P. M .M. C. Bressers, J. J. Kelly, etal., Journal Electrochemical
Society, 1744-1750, 1996.
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