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Simulador Didáctico De Puente H, Inversor y Señales

Laboratorio de Electrotecnia y SPWM

Tensión (V) Filtrada Corriente (I) PWM (+V) PWM (-V)
⏱️ Control de Animación y Visor
⚙️ Modos de Operación
⚡ Generador SPWM

| Material Didáctico de Apoyo

¿Qué es un Inversor de Potencia?

Un inversor es un equipo electrónico fundamental encargado de transformar la Corriente Continua (CC) —proveniente de baterías, paneles solares o fuentes de alimentación— en Corriente Alterna (CA) con una tensión y frecuencia determinadas, permitiendo alimentar electrodomésticos, motores y electrónica de red.

Clasificación según su Forma de Onda

A nivel técnico, los inversores se clasifican principalmente por la forma de la onda que entregan a su salida:

1. Onda Cuadrada

Son los más básicos. Generan una alternancia brusca entre positivo y negativo (+V y -V). Son económicos pero muy limitados: pueden dañar equipos electrónicos y solo sirven para cargas resistivas simples (como iluminación antigua o estufas).

2. Senoidal Modificada

También llamada cuasi-senoidal, aproxima la curva utilizando escalones de tensión. Son útiles para herramientas y la mayoría de electrodomésticos, pero en motores de inducción generan zumbidos audibles y pérdida de eficiencia por calentamiento.

3. Senoidal Pura (SPWM)

¡Es el que estamos simulando! Utilizan conmutación de alta velocidad (Modulación por ancho de pulsos) y filtros LC para esculpir una onda idéntica (o incluso más limpia) que la de la red eléctrica comercial. Indispensables para electrónica sensible y telecomunicaciones.

1. El Osciloscopio (Pantalla Superior)

Representa la medición real. Muestra tres magnitudes fundamentales:

  • PWM (Rojo y Azul): Tensión directa del Puente H. Son pulsos "cuadrados" violentos.
  • Tensión Filtrada (Verde): El voltaje tras pasar por el filtro LC. El filtro suaviza los golpes, devolviendo una curva suave (Onda Senoidal Pura).
  • Corriente (Naranja): Intensidad en la carga. Si cambias la carga a "Inductiva", verás que la corriente se "atrasa" respecto al voltaje (Desfasaje).
2. El Puente H (Pantalla Inferior)

Para que la electricidad atraviese la carga en ambas direcciones, los interruptores se cierran en cruz:

  • Cresta Positiva: Se cierran S1 y S4 (Corriente va ➝).
  • Valle Negativo: Se cierran S2 y S3 (Corriente va ⟵).
  • Tiempo Muerto: Momento crítico donde todo se apaga. Si S1 y S3 se cierran juntos, la corriente no pasa por la carga y va directo a masa (Cortocircuito destructivo).

SPWM

Sinusoidal Pulse Width Modulation

Técnica que enciende y apaga transistores miles de veces por segundo. Variando el ancho de los pulsos, engaña a la carga para que "sienta" que está recibiendo una onda curva y suave.

MOSFET / IGBT

Transistores de Potencia

Son las "llaves" reales del circuito. Los MOSFET son ultrarrápidos (ideales para frecuencias altas). Los IGBT son más lentos pero soportan corrientes industriales enormes.

Filtro LC

Inductor (L) + Capacitor (C)

Red pasiva a la salida del inversor. La Bobina (L) frena los cambios bruscos de corriente, y el Capacitor (C) absorbe los picos de voltaje. Juntos, eliminan el ruido del SPWM.

VCC / GND

Alimentación Continua

VCC es el polo positivo de la fuente (Ej: +24V, +48V). GND (Ground/Masa) es el retorno o polo negativo. El inversor toma esta energía fija y la alterna.

Bootstrapping

Técnica de disparo

Técnica usada por los *Drivers* para encender los transistores superiores (S1 y S2). Usa un diodo y un capacitor para "inyectar" un voltaje superior al de VCC directamente a la compuerta del transistor.

Shoot-Through

Cortocircuito de Rama

Falla catastrófica. Ocurre cuando dos transistores de la misma columna (ej. S1 y S3) conducen a la vez. Genera una explosión térmica inmediata. Se previene programando un Tiempo Muerto en el control.

1. Diagrama General del Inversor

Todo inversor separa El Control (Baja potencia, digital) de La Potencia (Alta tensión, analógica).

1. Cerebro (Microcontrolador)
⬇️
2. Driver y Aislación Opto.
⬇️
Fuente CC
➡️
3. Puente H
➡️
4. Filtro LC
➡️
Salida CA

2. Diagrama Lógico del Puente H (Una Rama)

Analizamos cómo se manejan los transistores de un solo lado (Ej. S1 y S3). El principal desafío es evitar encender ambos a la vez (Shoot-Through).

Señal SPWM
Desde el Micro
➡️
Generador de
Tiempo Muerto
↙️ ↘️
Driver High-Side
(Bootstrapping)
Driver Low-Side
(Referenciado a GND)
➡️
➡️
MOSFET S1
A +VCC (High Side)
MOSFET S3
A -GND (Low Side)
Detalles Técnicos:
  • La División: El SPWM original es 1 señal. El Generador de Tiempo Muerto la divide en 2 señales opuestas, pero añade un retraso al encendido. Así asegura que S3 se apague antes de que S1 intente encender.
  • El Driver High-Side: S1 no está conectado a tierra. Su voltaje de referencia "salta" constantemente. Por eso usa Bootstrapping, inyectando un pulso de mayor voltaje para poder accionar su compuerta.

1. Lógica del Comparador SPWM

¿Cómo decide el microcontrolador el ancho exacto de cada pulso? Lo hace resolviendo una inecuación matemática en tiempo real:

Cruce de señales SPWM Verde: Referencia (Senoidal) | Azul: Portadora (Triangular) | Rojo: Resultado PWM
  • Si Senoidal > Triangular ➝ Transistor ON (Pulso alto).
  • Si la Senoidal está cerca de su pico máximo, gana durante más tiempo la inecuación = Pulsos más anchos.
  • Índice de Modulación ($M_a$): Es la relación de amplitudes ($V_{sen} / V_{tri}$). Si $M_a > 1$, entramos en "sobremodulación", deformando la onda.
2. El secreto de las Cargas Inductivas

Cuando conectas una carga resistiva (estufa), la tensión y la corriente van de la mano. Pero si conectas un motor (Carga Inductiva), la bobina retrasa la corriente (Desfasaje).

MOSFET con Diodo Antiparalelo
Diodos de Libre Circulación:
El desfasaje provoca que haya instantes donde el voltaje es 0V (llaves abiertas), pero el motor por inercia sigue empujando corriente.
Esa corriente retorna a través de los diodos internos (dibujados en rojo) de los MOSFETs.

Esta energía reactiva vuelve a cargar el bus de CC. Si estos diodos no existieran, el pico inductivo (fuerza contraelectromotriz) destruiría el Puente H instantáneamente.