MANUEL BRIONES FERNÁNDEZ DE LARA
N.C. 828110
MK5 SEMESTRE
Qué es la eléctronica de potencia?
Se llama electrónica de potencia a aquello que consigue
adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar otros
equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de máquinas
eléctricas. La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el
control. El control se encarga del régimen permanente y de las características
dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el
equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación,
transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los
dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos en el procesamiento de
señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de
potencia se puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido
para el control y la conversión de la energía eléctrica. Principalmente se usa en fábricas y talleres en los que se controlen
equipos consumidores de alta potencia, la electrónica de potencia se basa, en
la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo
de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo
de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia se
han elevado.
Se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a
dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y
corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación
de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes
débiles.
2. Partes de un equipo electrónico de
potencia
Consta de dos partes:
Un circuito de potencia, compuesto de semiconductores de potencia y
elementos pasivos que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga.
Y un circuito de
control que procesa la información proporcionada por el circuito de potencia y
genera las señales de excitación que determinan el estado de los
semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente.
3. Aplicaciones de la electrónica de
potencia.
Controla
la potencia electrónica de los sistemas de tracción y de los controles
industriales impulsados por motores eléctricos; esto ha llevado un temprano
desarrollo del sistema Ward-Leonard con el
objetivo de obtener un voltaje de corriente directa variable para el control de
los motores e impulsadores. La electrónica de potencia ha revolucionando la
idea del control para la conversión de potencia y para el control de los
motores electrónicos.
La
electrónica de potencia combina la energía, la electrónica, y el control. El
control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de
los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de energía
de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y
distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos
y circuitos de estado sólidos requeridos en el procesamiento de señales para
cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potencia se
puede definir como la aplicación de electrónica de estado sólidos para el
control y la conversión de la energía eléctrica.
La
electrónica de potencia se basa, en primer término, en la conmutación de
dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de
los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo de la energía y la
velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia se han elevado.
Electrónica
de Potencia
Parte de la Electrónica que estudia los dispositivos y circuitos electrónicos
usados para modificar características de la energía eléctrica .
La
electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para
distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar
la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la
velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo
de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores.
El
principal objetivo de esta disciplina es el manejo y transformación de la energía de
una forma eficiente.
Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Realmente, la Electrónica de Potencia está presente en toda la
tecnología, estamos rodeados de tecnología y, de momento, todo hay que
alimentarlo.
Fijémonos en los equipos domésticos (Iluminación, equipos de música,
televisión, video, electrodomésticos
Miremos a las aplicaciones industriales (cargadores de baterías, coches
eléctricos, centralitas telefónicas, motores,…) donde las potencias pueden
alcanzar ya niveles de kilovatios. Así, hasta llegar a las grandes
aplicaciones de la Electrónica de Potencia, la tracción eléctrica y la
generación, transporte y almacenamiento de energía, donde ya hablamos de
niveles de potencia de negavatios, con tensiones de miles de voltios y
corrientes de miles de amperios.
Diodo Schottky
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, , es un
dispositivo semiconductor que
proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e
inversa (menos de 1ns en
dispositivos pequeños de 5 mm de diámetro) y muy bajas tensiones umbral
(también conocidas como tensiones de codo, aunque en inglés se refieren a ella
como "knee", es decir, rodilla).
La tensión de codo es la diferencia de potencial
mínima necesaria para que el diodo actúe como conductor en lugar de circuito
abierto; esto, dejando de lado la región Zener, que es cuando existe una
diferencia de potencial lo suficientemente negativa para que a pesar de estar
polarizado en inversa éste opere de forma similar a como lo haría regularmente.
A frecuencias bajas un diodo normal puede conmutar fácilmente cuando la
polarización cambia de directa a inversa, pero a medida que aumenta la
frecuencia el tiempo de conmutación puede llegar a ser muy alto, poniendo en
peligro el dispositivo.
Diodos rectificadores
Los diodos rectificadores se emplean para la
conversión de corriente alterna (c.a.) a continua (c.c.). Aún habiendo sido
optimizados para lograr unas bajas pérdidas en conducción, los Diodos
Rectificadores tan sólo soportan solicitaciones dinámicas moderadas en el paso
del estado de conducción al de bloqueo.
Diodos Rápidos
Los Diodos Rápidos, por otra parte, son
dispositivos auxiliares a los transistores en el proceso de conversión de
corriente continua a corriente alterna. Cada conmutador (GTO, IGCT o IGBT)
requiere de un diodo complementario (p. ej., la "libre circulación"
de potencia reactiva) para permitirel funcionamiento del sistema convertidor de
continua a alterna con cargas inductivas.
Los Diodos Rápidos están optimizados para soportar solicitaciones dinámicas
elevadas (transición rápida del estado de conducción al de bloqueo). Sin
embargo, por lo general presentan unas pérdidas en conducción superiores a los
Diodos Rectificadores. Para cada familia de conmutadores (GTOs, IGCTs y IGBTs)
disponemos de Diodos Rápidos que han sido optimizados para aplicaciones con conmutadores.
Tiristor
Es un componente electrónico constituido
por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para
producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo
semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren
pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos
unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido.
Se emplea generalmente para el control depotencia eléctrica.
El tiristor es un
conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos;
por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso
de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de
soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede
observarse también en el diodo Shockley.
Funcionamiento
El diseño del
tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso
momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en
inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo,
es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser
apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o
bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se
polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de
fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la
destrucción del elemento (por avalancha en la unión).
Aplicaciones
Normalmente son
usados en diseños donde hay corrientes o voltajes muy grandes, también son
comúnmente usados para controlar corriente alterna donde el cambio de polaridad de
la corriente revierte en la conexión o desconexión del dispositivo.
Se puede decir que
el dispositivo opera de forma síncrona cuando, una vez que el dispositivo está
abierto, comienza a conducir corriente en fase con el voltaje aplicado sobre la
unión cátodo-ánodo sin la necesidad de replicación de la modulación de la
puerta. En este momento el dispositivo tiende de forma completa al estado de
encendido.
No se debe
confundir con la operación simétrica, ya que la salida es unidireccional y va
solamente del cátodo al ánodo, por tanto en sí misma es asimétrica.
Los tiristores
pueden ser usados también como elementos de control en controladores accionados
por ángulos de fase, esto es una modulación por ancho de pulsos para
limitar el voltaje en corriente alterna.
Rectificador controlado de silicio
El rectificador
controlado de silicio (SCR) es un tipo de tiristor formado
por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien
NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron)
y Transistor.
Un SCR posee tres
conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada
de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona
básicamente como undiodo rectificador controlado,
permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique
ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante
en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando
en corriente alterna el SCR se desexcita en
cada alternancia o semiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un
circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito.
El pulso de
conmutación ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se
está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según
se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga.
Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará
conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la
corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por
cero)
Cuando se produce
una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede
dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da
como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener
bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito
existente entre la puerta y el ánodo.
Los SCR se utilizan
en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control,
especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor
de tipo electrónico.
Tiristor TRIAC
Un TRIAC o Triodo
para Corriente Alterna es un dispositivo semiconductor, de la familia
de los tiristores. La diferencia con un tiristor convencional es que
éste es unidireccional y el TRIAC es bidireccional. De forma coloquial podría
decirse que el TRIAC es un interruptor capaz de conmutar la corriente
alterna.
Su estructura
interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos SCR en
direcciones opuestas.
Posee tres electrodos:
A1, A2 (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta.
El disparo del TRIAC se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta.
Tiristor GTO
Un Tiristor
GTO o simplemente (GTO )es un dispositivo de electrónica de potencia que puede ser
encendido por un solo pulso de corriente positiva en la terminal puerta o gate
(G), al igual que el tiristor normal; pero en cambio puede ser apagado al
aplicar un pulso de corriente negativa en el mismo terminal. Ambos estados,
tanto el estado de encendido como el estado de apagado, son controlados por la
corriente en la puerta (G).
El proceso de
encendido es similar al del tiristor. Las características de apagado son un
poco diferentes. Cuando un voltaje negativo es aplicado a través de las terminales
puerta (G) y cátodo (C o K), la corriente en la puerta (ig), crece. Cuando la
corriente en la puerta (G) alcanza su máximo valor, IGR, la corriente de ánodo
comienza a caer y el voltaje a través del dispositivo (VAK), comienza a crecer.
El tiempo de caída de la corriente de ánodo (IA) es abrupta, típicamente menor
a 1 us. Después de esto, la corriente de ánodo varía lentamente y ésta porción
de la corriente de ánodo es conocido como corriente de cola.
La razón (IA/IGR)
de la corriente de ánodo IA a la máxima corriente negativa en la puerta (IGR)
requerida para el voltaje es baja, comúnmente entre 3 y 5. Por ejemplo, para un
voltaje de 2500 V y una corriente de 1000 A, un GTO normalmente requiere una
corriente negativa de pico en la puerta de 250 A para el apagado.
Transistor
Un transistor es un dispositivo semiconductor usado
para amplificar e interrumpir señales electrónicas o potencia eléctrica. Está
compuesto de materiales semiconductores con por lo menos tres terminales para
conexión externa al circuito. Gracias a que la potencia de salida puede ser más
grande que la potencia de control un transistor puede amplificar una señal.
Algunos transistores aun son construidos en encapsulados individuales, pero la
mayoría son construidos como parte de circuitos integrados.
Transistor BJT
El transistor de unión bipolar ( BJT) es un dispositivo electrónico de estado
sólido consistente en dos uniones
PN muy cercanas entre sí, que
permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de
bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de
portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran
número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos
su impedancia de
entrada bastante baja.
Un transistor de
unión bipolar está formado por dos Uniones PN en
un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta
manera quedan formadas tres regiones:
· Emisor, que se
diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su
nombre se debe a que esta terminal funciona como emisorde
portadores de carga.
· Base, la intermedia,
muy estrecha, que separa el emisor del colector.
· Colector, de extensión
mucho mayor.
Transistor
mosfet
El transistor
de efecto de campo metal-óxido-semiconductor o MOSFET es
un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas.
Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en
circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue
mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales
están basados en transistores MOSFET.
Transistores
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es
idéntico al de los transistores normales, teniendo como características
especiales las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por
tanto, las altas potencias a disipar.
Existen tres tipos de transistores de potencia:
·
bipolar
·
unipolar o FET (Transistor de Efecto de Campo).
·
IGBT.
El IGBT ofrece a los usuarios las ventajas de entrada MOS, más la
capacidad de carga en corriente de los transistores bipolares:
·
Trabaja con tensión.
·
Tiempos de conmutación bajos.
·
Disipación mucho mayor (como los bipolares).
·
Nos interesa que el transistor se parezca, lo más posible, a un elemento
ideal:
·
Pequeñas fugas.
·
Alta potencia.
Bajos tiempos de respuesta (ton , toff), para conseguir una alta
frecuencia de funcionamiento.
·
· Alta
concentración de intensidad por unidad de superficie del semiconductor.
·
· Que el efecto
avalancha se produzca a un valor elevado ( VCE máxima elevada).
·
· Que no se
produzcan puntos calientes (grandes di/dt )
Una limitación importante de todos los dispositivos de potencia y
concretamente de los
transistores bipolares, es que el paso de bloqueo a conducción y
viceversa no se hace
instantáneamente, sino que siempre hay un retardo (ton , toff). Las
causas fundamentales de
estos retardos son las capacidades asociadas a las uniones colector -
base y base - emisor y
los tiempos de difusión y recombinación de los portadores.
Totalmente
controlados: En este grupo encontramos los transistores bipolares BJT, los
transistores de efecto de campo MOSFET, los transistores bipolares de puerta
aislada IGBT y los tiristores GTO.
El interés actual del Transistor Bipolar de Potencia (BJT) es muy limitado, ya que existen dispositivos
de potencia con características muy superiores. Le dedicamos un tema porque es
necesario conocer sus limitaciones para poder comprender el funcionamiento y
limitaciones de otros dispositivos de gran importancia en la actualidad.
Formado por dos uniones PN con tres zonas cada una conectada a los
terminales:C: "Colector", la zona central es la B:"Base" y
E: "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una
impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación
intermedia. Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos
uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector.
El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la
base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor"
(el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la
derecha en este caso).
Cuestionario
1.- ¿Qué es electrónica de potencia.?
Son las aplicaciones de la electrónica de estado sólido para el control y la
conversión de la energía eléctrica.
2.-¿ Cueles son las diferencias entre las características de
la compuerta de los GTO y los tiristores ?
Los tiristores tienen activación controlada y
desactivacion sin control y las compuertas GTO la activación y la
desactivacion son controladas.
3.-¿ Cuales son las diferencias entre un TBJ y IGTB?
no hay diferencia
4.-¿Cual es la diferencia entre un tiristor y un triac?
La diferencia con un tiristor es que este es unidireccional y el triac
es bidireccional
5.-¿Que es un convertidor?
Es una matriz de conmutación
6.-¿Cuales son los diversos tipos de tiristores?
Tiristores de control de fase, de desactivacion por compuerta , de trido
bidirecional , de conducción inversa y
de inducción estática.
7.-¿ Cuales son las diferencias entre las características de
compuerta de tiristores y transistores?
Los tiristores tienen activación controlada y desactivación sin control,
en cambio los transistores se controla la activación y la desactivación de
ellos, los tiristores requieren de pulso en la compuerta y los transistores con
señal continua en la compuerta y aparte la capacidad que cada uno tiene para
soportar voltajes el tiristor soporta voltajes bipolares y los transistores
unipolares.
8.-¿ cuales son las condiciones para que un transistor conduzca?
Cuando un pequeña corriente pasa a través de la de la compuerta hacia el
cátodo, el tiristor conduce, siempre y cuando la terminal del ánodo este a un
potencial más alto que el cátodo.
9.-¿ Cual es la característica de compuerta se un IGBT?
Características de activación y desactivación controladas, requisito de
señal continua en la compuerta, capacidad de soportar voltajes unipolares y
capacidad de corriente unidireccional.
10.-¿Cuales son los pasos incluidos en el diseño de un equipo de
electronica de potencia?
1 Diseño de los circuitos de potencia. 2 Proteccion de los dispositivos
de potencia 3. Determinación de la estrategia de control 4. Diseño de los
circuitos lógicos y de mando.
