TCA 785 SpiceModel

• Diciembre 2001 1

Simulación de circuitos

Modelado funcional para Spice del C.I.Modelado funcional para Spice del C.I.Modelado funcional para Spice del C.I.Modelado funcional para Spice del C.I.Modelado funcional para Spice del C.I.TTTTTCCCCCA785A785A785A785A785

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2 • Diciembre 2001


Modelado funcional para Spicedel C.I. TCA785Ignacio Bravo1, Raúl Piñeiro, Marta Marrón1, Miguel A Sotelo1, Emilio Bueno1

Departamento de

Electrónica de la

Universidad de Alcalá

E-mail:

{ibravo,marta,sotelo}

@depeca.alcala.es

El TCA785 es un circuito integradode control de fase desarrollado porSiemens y posterior al TCA 780 y TCA780D. Debido a las características delas señales que es capaz de propor-cionar es ideal para controlar el dis-paro de los dispositivos de potencia.Aunque su uso es muy variado yabarca un amplio número de aplica-ciones dentro del mundo de la elec-trónica, sus características hacen deél un candidato inmejorable para for-mar parte del bloque de control deun sistema de potencia; en concre-to formaría el enlace entre el núcleodel bloque de control y la parte depotencia, generando las señalesoportunas en función de unas con-signas de entrada.

La posibilidad de simular cualquiercomportamiento eléctrico bajo unsoporte informático, brinda la opor-tunidad de reducir los errores de di-seño en un porcentaje muy elevado.El solo hecho de garantizar en ciertamedida el buen funcionamiento delbloque de control hace plantearsehasta qué punto es factible modelar,partiendo de los pocos datos quesuelen facilitar los fabricantes, elcomportamiento del circuito integra-do y en qué medida puede ser fiable.A este respecto y teniendo siemprepresente que el objetivo del diseña-dor es modelar el comportamiento

gún su criterio, debe estimar el gra-do de complejidad del modelo a rea-lizar en función del objetivo a conse-guir. Es importante recordar que estacomplejidad marca el grado de fiabi-lidad de la posterior simulación.

• Modelos de ComportamientoDefinen un componente o cir-

cuito mediante su función de trans-ferencia independientemente de suconstitución interna; en este caso, laprecisión dependerá de la reproduc-ción de las características del compo-nente o circuito a diseñar.

Utilizando un subcircuito, sepodría proponer un modelo de dis-positivo más simple que el original,adaptado a las condiciones del circui-to del que forma parte y que porconsiguiente, dada su simplicidad,no supere los limites de cálculo dePSPICE. Los modelos obtenidos me-diante subcircuitos también puedenrequerir tiempos de simulación eleva-dos o incluso imposibilitar al simula-dor para su análisis, todo dependede la complejidad del modelo; sinembargo, si lo que se pretende esrealizar un modelado sencillo, peroajustado al funcionamiento del dise-ño, por necesidad se deben eliminarparámetros.

La filosofía que se ha de seguirpara eliminar los parámetros innece-sarios en una simulación específica estotal responsabilidad del diseñador;no obstante, se pueden definir dosclases de parámetros que ayudan atomar una decisión; estos tipos son:

• Parámetros ObservablesSon todos aquellos parámetros

que aún no siendo regulados por laacción de un circuito o conjunto decomponentes dentro de un subcir-cuito, se pueden controlar por mediode la observación en el resultado dela simulación. Estos parámetros noayudan a definir a otro parámetro ypueden por tanto, no ser necesaria-mente implementados en el subcir-cuito, ya que con un simple vistazoa la simulación se puede deducir si

del C.I. para su uso mediante el simu-lador Pspice [1], éste debe plantear-se que tipo de modelado cubrirá susnecesidades y que inconvenientespresentará.

Necesidad de modelarel C.I. 785

Debido a las limitaciones de laversión de evaluación para PSpice lacomplejidad que introducen mode-los muy precisos puede provocar laincapacidad de cálculo en PSpicepara analizar un circuito. En esas enocasiones es necesario simplificar elmodelo con el objetivo de lograr unasimulación completa. La simplifica-ción del modelo se consigue de diver-sas formas pero la más generalizaday útil es por medio del diseño me-diante subcircuitos.

Un subcircuito contiene todoslos componentes que en conjuntoresponden al comportamiento de undispositivo. El contenido de estossubcircuitos puede ser de dos tipos:Estructurales o de Comportamiento.

• Modelos EstructuralesLos subcircuitos están formados

por componentes definidos en PSPI-CE. Para este tipo de modelado esnecesario conocer el contenido cir-cuital del componente o circuito amodelar. El diseñador es quien, se-

Figura 1. Diagrama de

bloques del C.I. TCA785



un parámetro observable en concre-to cumple las especificaciones defuncionamiento.

• Parámetros no ObservablesSon todos aquellos parámetros quedefinen o intervienen de algún modoen la construcción de otro paráme-tro y rigen el comportamiento delsubcircuito. Esta situación hace quenormalmente sea imposible eliminar-los. La calificación de no observables,aunque no siempre ajustada a la rea-lidad, se produce por la necesidad deacceso a nudos y mallas internas delsubcircuito para poder observar unode estos parámetros.

Se puede asegurar por tanto quecon el modelado mediante subcircui-tos se está acotando la exactitud delmismo, reduciéndolo a una garantíade comportamiento funcional de pi-nes hacia fuera. Por otra parte susencillez permite realizar simulacio-nes funcionales de circuitos muchomás complejos con las versiones dePspice menos potentes. Todo esto su-giere pensar que el desarrollo delmodelo puede ser muy útil en el di-seño de futuros trabajos.

Descripción funcionaldel C.I. TCA785.

La información más valiosa pararealizar el modelado la ofrece eldiagrama de bloques de la figura 1,ya que con él, se puede realizar unadescripción funcional bastante deta-llada y en base a ella construir los ele-mentos que formen parte del mode-lo.

El circuito integrado está forma-do básicamente por un generador dediente de sierra, un comparador, unelemento de sincronización con unaseñal exterior y un bloque generadorde señales de salida. La alimentacióndel integrado la realiza un converti-dor DC/DC cuya entrada se corres-ponde con el pin 16; además, gene-ra una tensión de referencia, VREF, quese ofrece por el pin 8. El generador Ies una fuente de corriente interna

configurable por medio de R9 y quejunto a C10 fuerza una tensión queevoluciona en rampa en sus extremos(véase su expresión en la ecuación 1).

Para obtener una señal en dien-te de sierra es necesario descargar C10

en determinados momentos; estafunción es realizada por el transistorde descarga cuando entra en satura-ción por medio del registro de sincro-nización que determina el momentoexacto de la descarga. Este últimoregistro es capaz de decidir el instan-te de carga y descarga de C10 en vir-tud de dos señales de sincronización.Una de estas señales procede de undetector de paso por cero que infor-ma del instante en el que la señal debaja frecuencia (suele ser la frecuen-cia de red) aplicada al pin 5 hace su

paso por cero. La otra señal procedede un monitor de descarga que pre-para al registro de sincronizaciónpara efectuar una descarga en el

momento oportuno. El valor de laexpresión que toma la tensión depico en C10 justo antes del inicio dela descarga es expuesta en la ecua-ción 1.

El comparador fija un nivel desalida cada vez que la tensión enrampa supera la tensión existente enel pin 11 (tensión de control) y esusado como entrada al bloque lógi-co generador de señales de salida. Elnivel ofrecido por el comparador encombinación con las señales de sali-da del registro de sincronización ac-tivan las señales de salida del bloquelógico, de tal forma que presentan

Ecuación 1. Valor del

generador de corriente

interno, del ángulo de

disparo, de la tensión de

pico de la señal de rampa y

de la relación entre C12 y la

anchura del pulso


tiempos del C.I. TCA785



un desfase j en función del valor deR9, C10 y V11 respecto del paso porcero de la señal de sincronismo (ob-sérvese el valor de su expresión en laecuación 1).

El bloque lógico genera un totalde seis señales pulsatorias con posi-bilidad de manipular el ancho delpulso en cinco de ellas. Dependien-do de la capacidad que se conecte alpin 12 se puede alargar, hasta unmáximo de (180º-ϕ), o acortar, has-ta un mínimo por defecto, la dura-ción del pulso generado por las sali-das Q1, Q2 y QZ (véase la ecuación1). Por el contrario, el pin 13 soloofrece dos posibilidades a las salidas/Q2 y /Q1; estas son, alargar el pul-so (180º-ϕ) conectándolo a masa, ódejar un mínimo ancho de pulso es-tablecido por defecto, dejándolo alaire. Así mismo, cabe reseñar comoun detalle de importancia el desfasede 180º entre las salidas Q1 y Q2 ypor relación, manifiesto también ensus imágenes negadas, /Q1 y/Q2. Laexpresión de los valores que toman

elementales. La exactitud de cadauno de estos circuitos y su ajustemediante, como no, simulación, de-finirán la calidad del resultado final.Por otra parte y según la definicióndel fabricante, el ángulo de disparoj es función de tres posibles variables,C10, R9 y V11 (véase la ecuación 1) Laposibilidad de controlar el ángulopor medio de las tres variables a lavez existe, sin embargo es obvio pen-sar que interesa realizar el control dej por medio de la variación de una deellas, dejando las otras fijas. A la va-riable que ejerza el control se le exi-ge:1. La menor sensibilidad sobre j para

permitir una mayor exactitud so-bre el control del ángulo de dispa-ro final y enmascarar posibleserrores introducidos por las varia-bles.

2. La mayor independencia frente acambios de otras magnitudes.

Para un incremento unitario delas variables, el incremento mayor deϕ corresponde a una variación en C10.

tanto QU como QZ quedan refleja-dos de forma más clara presentandosu evolución de forma gráfica en elsiguiente diagrama temporal de lafigura 2, al que además, se unen lasseñales más significativas que ayu-dan a aclarar aún más los aspectosde sincronización del dispositivo TCA785.

Modelado del C.I. TCA7 8 5

El siguiente paso en el modela-do estructural es proponer un circui-to que recoja toda la funcionalidaddel C.I. real y que sea de constituciónsimple (con el menor número posiblede elementos y nudos); para tal fin sehará uso del circuito presentado enla figura 3.

Teniendo en cuenta el objetivo aconseguir, se define la función decada bloque formando circuitos in-dependientes. De esta forma se lograreducir la complejidad del circuito aun número de circuitos más o menos


bloques para el modelado

del C.I. TCA785



Según esto y lo enunciado en (1) lavariable C10 se descarta por ofrecer lamayor sensibilidad; por otro lado R9

introduce errores en el ángulo de dis-paro debido a su dependencia defactores como la temperatura, to-lerancia, etc y aunque presenta lamenor sensibilidad, su dependenciade terceras magnitudes incumple loenunciado en (2) provocando sudescarte para ejercer el control. Fi-nalmente, desde este punto de vis-ta, y apoyándose en el hecho de lagran estabilidad que se puede con-seguir en una tensión o corrientede control (depende del circuitoque la provoque) unido a su media-na sensibilidad se confirma V11

como la variable idónea. El futurosubcircuito se construirá en base aobtener un control del ángulo pormedio de la tensión V11, es decir, elsubcircuito no admitirá cambios enR9 y C10 durante el tiempo de simu-lación de cualquier circuito en elque esté incluido.

Circuito monoestableEl circuito monoestable que se

va a implementar para Pspice es elpresentado en la figura 4. El valor delos parámetros más destacados del

monoestable como son el tiempometaestable, TMET, el tiempo de recu-peración, TREC, y la frecuencia de tra-bajo máxima, fMAX, se exponen en laecuación 2.

Figura 4. Circuito

Monoestable

Circuito de disparoEl circuito de disparo utilizado

como base para su implementaciónen Pspice es el mostrado en la figu-ra 5. Al circuito se le ha unido elequivalente Thévenin del monoesta-ble visto desde los puntos A y B ha-cia la derecha. El parámetro destaca-do en el circuito de disparo corres-ponde al mínimo valor de tensión dedisparo (Vdisp) que produce un cam-bio en la salida del monoestable. Trasel análisis del circuito, se obtiene queVdisp>VA+Vd. La condición debe cum-plirse al menos el tiempo necesariopara que el cambio de estado en lasalida asegure que V+ es mayor queV–; esto dependerá directamente deCdisp, Rx3 y la velocidad del operacio-nal. Por otra parte la pendiente deVdisp debe ser constante y grandepara asegurar un pico de corrientecapaz de poner en directo a Da.

Circuito de disparo y monoestablepara el subcircuito TCA785

Los circuitos de disparo y monoes-

Figura 5. Circuito de

disparo

Ecuación 2. Valor del

tiempo metaestable, del

tiempo de recuperación y

de la frecuencia máxima



Figura 6. Circuito

monoestable y de disparo

para Pspice

table son caracterizados mediante ele-mentos de PSpice y expuestos en unsolo esquema en la figura 6. La susti-tución del diodo D1 por el interruptorSb evita introducir el tiempo de recu-peración, ya que la descarga de Cb esinstantánea y controlada, eliminandoel error que introduce este tiempo enel ángulo de disparo y dando mayo-res posibilidades de respuesta frentea la frecuencia.

La vinculación del valor de loselementos del circuito con los as-pectos funcionales propios de C.I.TCA785 es el paso siguiente. Deesta forma y sabiendo que TMET=tp,se puede calcular el valor de Cb se-gún la expresión presentada en laecuación 3. Rc toma un valor fijo eigual a 100W; elegida con un valorbajo por la conveniencia de evitarla influencia de ROFF (resistencia queofrece el interruptor cuando estaabierto) sobre el valor final de TMET.Así, de esta forma la única variablepasaría a ser C12 cumpliendo con lodictado por el fabricante y que ase-gura una extensión del ancho delpulso con la variación de la capaci-dad conectada al pin 12 del C.I. Elvalor de la capacidad C12 será intro-ducido como un argumento en elsubcircuito y debe darse siempreexpresado en picofaradios.

El valor de VA debe ser calcula-do de forma que el diodo Da quedeen el limite entre la conducción y elcorte cuando en el nudo 55 este pre-sente el estado estable. Sabiendo

Circuito generador de diente de sie-rra para el subcircuito TCA785

El circuito mostrado en la figu-ra 8 es el utilizado para generar laseñal de diente de sierra identificadaen el diagrama de bloques de la fi-gura 3. El valor del generador de co-rriente, Gi toma el valor de la expre-sión presentada en la ecuación 1, yque lo relaciona con la operatividaddel C.I. Por otro lado el generador Ec

definido mediante su función detransferencia y presentada en la figu-ra 9, consigue descargar Ca cada vezque VSYNC pase por cero. Haciendoque el modelo del interruptor res-ponda con VON=1v ,se define un in-tervalo de 40ms para el cierre del

Figura 7. Función de transferen-

cia de Ec1

que Rx1 es igual Rx2 para cumplir laexpresión de TMET y que el estado es-table gira entorno a -1v, se deduceque el valor de VA debe aproximarsea 0,5v.

El generador Ec1 sirve de enla-ce funcional entre el generador derampa y el circuito de disparo ajus-tándose al elemento comparadorespecificado en el diagrama de blo-ques de la figura 3. Su misión con-siste en ofrecer un pulso en el mo-mento en el que la tensión en elnudo 51 y perteneciente al genera-dor de diente de sierra supera a latensión de entrada V11. Su valor sedefine en Pspice mediante su fun-ción de transferencia representadaen la figura 7, donde se puede ob-servar que también depende de unfactor Q. Este factor compensa tan-to las variaciones de tensión depico que puede alcanzar Vrampa

como las variaciones de tiempo dela misma y que puede provocar, sila velocidad con que Ec1 alcance suvalor máximo es lenta, la extincióndel pulso necesario para entrar enel estado metaestable. Su valor de-pende de Ca y R9, ambos argumen-tos de entrada del subcircuito (véa-se la ecuación 3).

mismo, durante este tiempo el con-densador debe haberse descargadocompletamente. Existe también untiempo de transición entre cierre yapertura de 30ms en el que la resis-tencia ofrecida por el interruptor si-gue una ley de variación exponencial.

Señales de entrada al subcircuitoTCA785

El subcircuito no tendrá el mis-mo número de entradas que el C.I.real. Solo las entradas que ofrecen

Ecuación 3. Expresión del

valor del generador Ec1 y

del factor de compensa-

ción Q



Figura 8. Circuito generador de diente de sierra para Pspice

Figura 9. Función de transferencia de Ec

formación para la evolución del com-portamiento externo son considera-das como tales en el subcircuito. Lasentradas Vinh , VSYNC , V11 y VS ofrecenlos datos necesarios para una simu-lación funcional del subcircuito.Cuando se diseñe un circuito en elque se incluya el subcircuito TCA785los nudos definidos para las entradastomarán el valor definido en el es-quema general (son tratados comoargumentos de entrada).

Generadores de controlSu función dentro del subcircui-

to es ofrecer la información necesa-ria para poder generar los distintostipos de señales de salida del C.I.TCA785. Están definidos mediante su

función de transferencia. EL genera-dor de control Ec3 (véase la figura10) informa del nivel existente en lasalida del circuito monoestable albloque generador de salidas pormedio de dos niveles, 1v en el mo-mento que Dc está en directo y -1vcuando es Dd el que lo está; tambiénregenera la señal de salida del mo-noestable enmascarando los defec-tos y convirtiéndola en una señalcuadrada.

La función del generador decontrol Ec2 (véase la figura 11) es dartestimonio del semiciclo de red queestá activo. En cada ciclo se puedendiferenciar dos niveles distintos, unopara el positivo y otro para el nega-tivo, cada uno de ellos sincronizarápor medio del bloque generador desalidas el pulso correspondiente alsemiciclo activo (recordemos que lasalidas Q1 y Q2 están desfasadas180º una de la otra).

Finalmente se define el genera-dor de control Einh (véase la Figura12) para habilitar o deshabilitar todaslas señales de salida. La señal de en-trada Vinh será la llave para esta ope-ración.

Figura 10. Función de

transferencia del generador

Ec3


transferencia del

generador Ec2


transferencia del

generador Einh

Señales de salidaEl simulador PSPICE ofrece la po-

sibilidad de definir generadores pormedio de una expresión matemática.Aprovechando esta cualidad se defi-nen seis generadores que conformanel bloque generador de salidas y quese corresponden con las seis salidasreales del C.I. TCA 785. Cada gene-rador ofrece una salida que es fun-ción de los generadores de control,señales de entrada, y determinadosargumentos, limitando el nivel ofre-cido a los rangos permitidos por elfabricante (véase la figura 13).

Subcircuito TCA 785De todo lo anterior se deduce

que el código fuente para la creación



Figura 13. Valor de los

generadores de salida

Figura 14. Evolución de la

tensión en la carga durante

el arranque del sistema

indel subcircuito es el indicado en elcuadro 1.

Aplicación del TCA785: Simulación deun rectificadortrifásicosemicontroladomediante el uso delC.I. TCA785.

Se pretende simular un “arran-que lento” [3] del rectificador trifá-sico semicontrolado [2] mostrado enla figura 17. Para tal fin se usa un ge-nerador de control (V5) que produ-ce una variación lineal de tensión conel tiempo. En los instantes iniciales suvalor es máximo e igual a 8.5v, altranscurrir 200ms su valor será de 1v.El resultado puede observarse en lafigura 14; la forma de onda esta to-mada en extremos de la carga; el

Figura 15. Evolución de la tensión

media en la carga durante el

arranque del sistema

Figura 16. Señal de sincronización, de

rampa, pulsos de disparo y control



Cuadro 1

ángulo de disparo va disminuyendocon el tiempo lo que provoca que latensión media evolucione hacia unvalor máximo de forma lineal (véasela figura 15).

Para comprender de una formamás clara el funcionamiento del sis-tema, la figura 16 presenta cuatroseñales que definen el comporta-

miento del circuito integrado U3(compruébese sobre el esquema); lascuatro señales son: la señal de sincro-nización que se corresponde con latensión de fase Vcn, la tensión derampa que genera internamente elintegrado cada semiciclo de la señalde sincronización; la tensión de con-trol V(ang) y los pulsos de disparo

generados por el integrado (V(g3)-Van).

Los pulsos de disparo solo tienenaparición en los instantes en los quela tensión de rampa coincide con latensión de control para los semiciclospositivos de la señal de sincroniza-ción. Al disminuir progresivamente elnivel de la tensión de control, el án-



gulo de disparo por semiciclo de laseñal de sincronización también lohace. Para poder simular el circuitocon ciertas garantías de éxito en laversión menos potente de Pspice(versión de evaluación) es necesariodisminuir la precisión relativa de lasimulación (RELTOL=0.1); esto pro-voca algunas imprecisiones en loscálculos del simulador como puedeobservarse en la evolución no unifor-

me de la señal de rampa pero que noafecta de manera decisiva en la fun-cionalidad del circuito. ❏

Referencias

[1] Pspice, simulación y análisis decircuitos analógicos asistida por or-denador; E. García Breijo, J. IbáñezCivera, L. Gil Sánchez. Ed. Paraninfo1995.

Figura 17. Circuito Pspice

para la simulación

transitoria de un

rectificador trifásico

semicontrolado con

generación de señales de

control mediante el C.I.

TCA785

[2] Power Electronic Control of ACmotors; Murphy, Turnball. Ed. Perga-mon Press, 1995[3] Power Electronics; Ned Mohan,Tore M. Undeland, William P. Robins.Ed. Wiley, 1995[4] Rectificador trifásico semicontro-lado; Raúl Piñeiro. Trabajo Final Ca-rrera. Escuela Politécnica. Univ Alca-lá, 1997

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