Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Departamento de Engenharia Elétrica
Didactic Platform for Power
Electronics Teaching
Fernando Soares dos Reis
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Departamento de Engenharia Elétrica
Presentation Topics
•
•
•
•
•
Objectives
Introduction
The Implemented System
Experimental Results
Conclusions
Fernando Soares dos Reis
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Objective
• The main objective of this work is to
introduce to the Power Electronics
Community the results obtained with a
successful experience in Power Electronics
teaching at Pontifícia Universidade
Católica do Rio Grande do Sul - PUCRS.
Fernando Soares dos Reis
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Introduction
• To implement this platform creativity and low
cost components were used. A didactic platform
that studies inverters and its different
modulation techniques was obtained, with an
extremely low cost releasing the use of
sophisticated and expensive equipments in the
assembly of our laboratories.
Fernando Soares dos Reis
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Motivation
 High Cost of Commercial KITs;
 Integration Theory & Practice;
 To introduce the Students in Power
Electronics Researches;
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Studied Inverters Structures:
 Push-Pull Inverter;
 Half-Bridge Inverter;
 Full-Bridge Inverter;
Fernando Soares dos Reis
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Modulation Techniques:
 PWM sinusoidal two levels;
 PWM sinusoidal thee levels;
 PWM (chopper);
Fernando Soares dos Reis
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CI 4: A
1
3
SINC.
CI 3: D
CI : 2
11
RST
2
10
CLK
4071
12
Q1
Q4
Q5
Q6
Q7
Q8
Q9
Q 10
Q 11
Q 12
Q 13
Q 14
9
7
5
4
6
13
12
14
15
1
2
3
11
13
4081
CI 3: C
8
CI 3: A
CI 3: B
1
10
3
5
9
4
2
6
4081
4081
4081
4020
Oscillator (60 Hz)
CI 1: D
CI 1: E
XTAL
8
9
10
11
3M Hz
4069
R1
R2
1k8
1k8
4069
+15V
CI 5: A
CI 5: B
CI 1: A
CI 1: B
CI 1: C
C1
1
2
3
4
5
6
10nF
4069
4069
4069
10
11
12
13
S
J
K
R
CLK
Q
9
15
6
5
4
3
S
J
K
R
CLK
Q
Q
Q
14
7
1
2
4027
4027
66Hz
Fernando Soares dos Reis
G ND
SINC.
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Active Low Pass Filter (Sallen-Key)
R2
R1
C2
+Vi
+
+Vo
R3
R5
C1
R4
Fernando Soares dos Reis
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Zero Detector
U1
1
6
+1 5 V
5
4
1
5 K 6 /5 W
1 N4 0 0 7
F1
1A
1
D1
R2
D2
C1
2
2
3
Q1
BC6 4 0
5 K 6 /5 W
SI NC.
4 ,7 n F
1 N4 1 4 8
R6
R5
R4
R3
10 k
15 k
3 .3 K
10 0K
0
0
0
0
Fernando Soares dos Reis
AC 127 V
R1
2
TIL 1 1 1
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Triangular Wave Generator
R5
+1 5V
Triangular Wave
1k 5
R7
C6
3
R1
10 k
10 0n
10 k
18 0
2
7
R4
+1 5V
CI2
+
6
-
-15V
1
4
5
CA31 40
10 k
4
3
2
CI1 LM 56 6
1
POT2 10 k
5
6
R6
1,5 n
7
D2 1
C5
8
1N41 00
R9
D2 2
0
0
1N41 00
10 k
R8
R2
R3
POT1 20 k
10 k
18 0
10 k
-15 V
0
Fernando Soares dos Reis
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+15V
Sinusoid
R1 7
1k5
3
Se n o i da l
R1 1 1 0 k
5 -
CHA
Tr i a n gu l a r
4
R1 2
Triangular
10k
CI3 : A
2
+
Q1
LM339
12
IN
A
D3
R1 5
R1 8
-1 5 V
10k
10k
+15V
7
0
R1 4
2
10k
3
CI4
+
R1 3
10k
6
-
Two and Three Levels
PWM Modulator
CA 3 1 4 0
1
4
5
+15V
R1 6
5k6
1
2
IN
+15V
0
1
2
CHB
11
3
10
Inverter
P OT 3 1 0 k
R1 2
10k
+
CI3 : D
13
-
LM339
R1 9
Q2
1k5
B
D4
R2 0
10k
Fernando Soares dos Reis
0
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
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U7 A
1
R1
3
1
J6
RCA J ACK
Driver
2
U7 B
5
2
1
X
Dead Time
14
RCA J ACK
J3
14
Driver Circuit
4
R3
6
22k
7
1k
CD4 0 9 3 B
7
2
CD4 0 9 3 B
C4 0
13
R2
11
1
470n
U7 C
8
12
10
3
D2
UF4 0 0 7
4
A
C2 0
5
470n
6
2
9
22k
CD4 0 9 3 B
D8
7
CD4 0 9 3 B
7
7
LO
.
COM VSS
VCC L IN
.
VS
SD
HIN
VB VDD
HO
.
14
1
13
12
X
11
10
9
Y
C6 0
100n
J5
RCA J ACK
1
8
C4
1 N4 1 4 8
22p
2
2
Y
1n
U7 D
14
14
2
2
1
C6 6
J2
RCA J ACK
1
J4
RCA J ACK
U4
C1
22p
IR2 1 1 0
IR 2110
Fernando Soares dos Reis
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Dead Time and Short Circuit Protection
RCA J ACK
J3
14
Dead Time
U7A
14
R1
X
U7B
1
3
1
5
2
4
6
22k
CD4093B
2
7
CD4093B
7
C1
22p
C66
1n
14
U7D
Y
U7C
R2
11
8
12
10
9
22k
2
14
13
J2
RCA J ACK
1
CD4093B
D8
7
CD4093B
7
C4
1N4148
22p
IR 2110
Fernando Soares dos Reis
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2
2
Full-Bridge Inverter
IRFP 460
L
3
1
3
1
IRFP 460
R
2
2
V dc
1
IRFP 460
3
3
1
IRFP 460
Fernando Soares dos Reis
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Output LC Filter
L
C
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Implemented System
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Crystal Oscillator
Zero Detector
Power Supply
Active Filter
Driver
PWM Modulator
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Experimental Results
Two
Level
 
 
T
TT
 
 
1) Ch 1:
2) Ch 2:
50 V ol t 2 m s
50 V ol t 2 m s
Fernando Soares dos Reis
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Experimental Results
Three
Level
 
 
 
 
1) Ch 1:
2) Ch 2:
TT
T
50 V ol t 2 m s
50 V ol t 2 m s
Fernando Soares dos Reis
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Conclusions
• In this article a didactic platform to teach
Power Electronics was described. This work is
inserted in the context of a solid pedagogic
proposal for the Power Electronics teaching,
based on the theoretical practical experience
mainly in the field of the inverters and DC
drivers.
Fernando Soares dos Reis
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Conclusions
•
The system now presented is inserted in a
wider proposal, started with a didactic kit family,
elaborated for the study of rectifiers circuits.
After the implementation of these kits an
expressive improvement of the learning process
was observed, obtaining high approval indexes
different from what happened when the
discipline was presented in the traditional way.
Fernando Soares dos Reis
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Conclusions
•
We would like to remark the importance of
the popularization of this kind of work, that
approaches pedagogic aspects and is
concerned with the formation of a new
methodology of teaching the Power
Electronics disciplines.
Fernando Soares dos Reis
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Conclusions
•
Is important to observe that the work here
presented constitutes the second stage of a
more ambitious project in which the main
objective is to develop didactic kits that assists
the Power Electronics teaching.
Fernando Soares dos Reis
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Conclusions
•
The versatility of the platform and
great economy obtained in relation to
available educational kits found on
market are additional advantages of
proposed system.
the
the
the
the
Fernando Soares dos Reis