Resultados: Mejoras Electrónicas

El énfasis en la reducción de conexiones, sumado a que las nuevas tarjetas electrónicas prácticamente no sufrieron modificaciones luego de su armado (incorporando en ellas todas las funciones requeridas) permiten un funcionamiento predecible. Se puede suponer que los componentes operan sin mayores riesgos mientras se mantengan dentro de las condiciones para las que fueron diseñados. Los componentes electrónicos cumplieron con sus objetivos satisfactoriamente, sin ninguna falla atribuible al diseño, tanto durante el proceso de armado como el de puesta en marcha. Sólo fue necesario hacer correcciones menores, propias del diseño de prototipos, como agregar condensadores para mejorar el filtrado del ruido en las señales de corriente o la alteración de los valores de ciertos componentes para mejorar su desempeño.

El funcionamiento del puente H sufrió dos importantes cambios en su diseño: la nueva electrónica de disparo y la protección  contra cortocircuitos.

Desde el punto de vista del encendido de los transistores, efectivamente se consiguió una mejora significativa en los tiempos de conmutación, tal como lo muestra la Figura 5.1. En ella se presenta de forma comparativa las formas de onda del puente H original (izquierda) y del nuevo (derecha) utilizando la misma escala temporal y de amplitud (señal en amarillo).

Figura 5.1: (Izquierda) Pulso de encendido en la compuerta de un transistor en el puente H original. (Derecha) Pulso de encendido en la compuerta de un transistor en el nuevo puente H.

La medición de los tiempos de conmutación brinda los resultados cuantitativos de esta mejora, pasando de 1,1µS (Figura 3.4) a 100nS (Figura 5.2) en el flanco de subida y de 1,1µS (Figura 3.4) a 44nS (Figura 5.2) en el flanco de bajada, con esto los transistores reducen en un factor de 10 el tiempo que se encuentran en zona activa, con la consiguiente reducción de las pérdidas.

Figura 5.2: (Izquierda) En celeste se muestra el flanco de subida del pulso de encendido en la compuerta del transistor. (Derecha) Se muestra el flanco de bajada del pulso de encendido.

Para el caso de transistores operados como interruptor, la potencia disipada por ellos (Pm) puede ser estimada como:

donde el sumando de la izquierda representa las pérdidas totales por conmutación, mientras que el sumando de la derecha representa las pérdidas de conducción en un ciclo de conmutación. VOFF es el voltaje entre drenador y fuente del MOSFET apagado, VON es el voltaje entre drenador y fuente para el transistor encendido, ION corresponde a la corriente de conducción, T es el período de la señal de encendido, TS el tiempo durante el cual el transistor conduce. Finalmente, tON y tOFF corresponden a la duración de los flancos de encendido y apagado respectivamente [4]. Se han despreciado las pérdidas por corrientes de fuga durante el estado de apagado del transistor, ya que éste puede ser considerado como un circuito abierto.

Puesto que en este caso particular las corrientes y el ciclo de trabajo varían ampliamente, no es posible realizar una estimación precisa de las pérdidas en régimen permanente. Sin embargo, la ecuación muestra claramente que la reducción de los tiempos de conmutación a una décima parte de los originales, reduce en igual medida las pérdidas por conmutación en cada transistor.

Tampoco se observaron fenómenos de oscilación producto de la conexión en paralelo de los transistores. Los flancos en el osciloscopio se aprecian relativamente limpios. La temperatura en los disipadores de los transistores tampoco se elevó significativamente por sobre la temperatura ambiente, incluso luego de largos periodos de exigencia.

La protección contra disparo simultáneo también funcionó como estaba previsto. La velocidad de las compuertas lógicas dispuestas en las entradas de los drivers que accionan los transistores, permite prevenir un encendido simultáneo de los transistores de consecuencias destructivas, como lo muestra la Figura 5.3, donde los canales 1 y 2 del osciloscopio corresponden a la tensión aplicada directamente a las compuertas de los MOSFET (salidas del driver), mientras que la señal inferior (canal 3 del osciloscopio) corresponde al tren de pulsos de entrada.

Figura 5.3: (Izquierda) Tren de pulsos aplicado a la una de las entradas del driver. (Centro) Tren de pulsos aplicado a la otra entrada del driver. (Derecha) Tren de pulsos aplicado a ambas entradas simultáneamente.

Luego de numerosas pruebas que confirmaban el buen funcionamiento de esta protección, se conectaron los puentes H a las baterías con un fusible de protección, el cual no fue necesario remover, puesto que el circuito resultó ser lo suficientemente seguro como para permanecer conectado. Luego de muchos ciclos de encendido y apagado no se presentaron fallas, tal como estaba previsto.

Las mediciones de corriente resultaron ser adecuadas y, si bien el circuito VCO utilizado minimiza las posibilidades de alteración en la transmisión de esta lectura, fue necesario emplear cubiertas de cobre a modo de blindaje, puesto que el VCO en sí es sensible al ruido electromagnético generado por los puentes H y los motores.

La robustez de la electrónica de potencia, así como la de control y sus sistemas de montaje, quedó demostrada en el intenso período de pruebas en el que el vehículo sufrió sacudidas e incluso golpes de relativa violencia, que en ningún caso generaron fallas en la electrónica. Los golpes fueron mayormente de las ruedas contra paredes o muro, durante el proceso de aprendizaje, en los momentos en que el usuario baja del vehículo en movimiento ante la inminencia del impacto, sin poder detenerlo oportunamente.

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