ELECTRÓNICA DE POTENCIA
OBJETIVO:
El objetivo de este informe es dar a conocer todos los componentes y funcionamiento de la electronica de potencia, es importante saber su funcionamiento y su composición.
SIGNIFICADO:
Durante mucho tiempo ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de
los controles industriales impulsados por motores eléctricos, así pues la electrónica de potencia ha revolucionado
la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.
Lo 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
equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de la energía
eléctrica. La electrónica se encarga de los dispositivos y circuitos de estado sólido requeridos el procesamiento de
la 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. En la figura se muestra la interrelación de la electrónica de potencia con la
energía, la electrónica y el control.
PARTES DE UN EQUIPO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes:
UN CIRCUITO DE POTENCIA
Esta compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos,que conecta la fuente primaria de alimentación con la carga.
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.
APLICACIONES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
APLICACIONES DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Un regulador para las lavadoras
Asociado a un motor de corriente continua con imanes permanentes, el regulador con transistor de conmutación de
la figura ha permitido la fabricación de una lavadora más ligera, más económica y, por lo tanto, a largo plazo más
barata. Un buen ajuste en la regulación garantiza una mejor repartición de la ropa.
Esta solución "electrónica" ha permitido reducir en 15 Kg. el peso de la lavadora al aligerar el motor y el
contrapeso.
La utilización de un darlington triple y de un diodo, con el conjunto dispuesto sobre unos soportes plásticos, debería
permitir, en una nueva versión, un montaje menos costoso y una reducción del filtro de entrada. Un
microprocesador asegurará el control del proceso de lavado.
Tiristores GTO para las placas de cocción
Estas placas de cocción por inducción, que pueden encontrarse habitualmente en Japón y ya se empiezan a ver en
Francia y otros países europeos, utilizan tiristores GTO. Con respecto a los quemadores de gas, este tipo de placa
termógena asegura mayor flexibilidad de regulación, mejor rendimiento y aumento en la seguridad de empleo.
Un convertidor de frecuencia para la compensación de los tubos fluorescentes
El rendimiento de los tubos fluorescentes aumenta con la frecuencia de la tensión de alimentación del tubo. El
convertidor de compensación de la figura suministra al tubo asociado una tensión alterna de varias decenas de
kilohercios.
La mejora del rendimiento con respecto a un dispositivo convencional es del orden del 20%. Así, se obtendrá la
misma luminosidad con menos lámparas. El empleo de dispositivos electrónicos de compensación debería permitir
duplicar el número de tubos por línea sin aumentar la potencia consumada.
Alimentaciones estáticas sin cortes
Las alimentaciones sin interrupciones son indispensables para el funcionamiento sin cortes de los equipos
informáticos, las centrales telefónicas electrónicas, etc.
El uso de transistores de potencia en estas alimentaciones de emergencia permite una ganancia considerable en
calidad de regulación, rendimiento, peso y volumen. El aumento en el rendimiento, incluso con carga pequeña,
permite reducir igualmente el peso y el volumen de las baterías tampón y, en consecuencia, cl tamaño y el precio
de los locales que las albergan.
Alimentaciones en modo conmutado
La utilización de alimentaciones en modo conmutado, como cargadores de baterías, permite una ganancia muy
importante en peso y en coste. El transformador, los condensadores y las inductancias de filtro se sustituyen por
componentes que trabajan a una frecuencia superior a 20 kHz.
El desarrollo de componentes activos y pasivos mejor adaptados (darlington rápidos integrados, diodos rápidos con
débil caída de tensión, transformadores e inductancias prepolarizadas, condensador de baja tensión de pequeño
volumen y pocas pérdidas) permitirá una mejora adicional en peso, en volumen y en coste.
Variadores de velocidad con convertidor trifásico
Hoy día, el variador de velocidad para el motor asíncrono estándar de bajo coste reclama de la técnica el
convertidor trifásico que utiliza combinaciones de semiconductores de potencia. Este dispositivo se utiliza para la
tracción de las cintas transportadoras, las bombas, los motores de robótica, etc. Se caracteriza por su gran
flexibilidad de aplicación, su reducido coste de mantenimiento y el importante ahorro de energía que supone.
Además, la utilización de los módulos darlington-diodos rápidos reduce el coste de cableado.
Control de motores de las máquinas herramientas
Los semiconductores discretos, diodos y transistores utilizados en el control de motores de herramientas serán
pronto reemplazados por módulos darlington-diodos que realizan una función de conmutación completa, situados
en soportes especiales con fuerte disipación térmica.
La soldadura eléctrica
La utilización de tiristores asimétricos o de transistores de potencia que trabajan a frecuencias elevadas permite la
construcción de equipos de soldadura ultraligeros. En particular, puede dividirse el peso (hierro, cobre) por un
factor superior a cinco. Además, la elevada frecuencia de funcionamiento permite una regulación rápida de la
corriente de soldadura y, así, fa soldadura automática sin proyección.
La tracción eléctrica: Tren de alta velocidad, trolebús
Todos los motores de tracción de los trenes de alta velocidad son gobernados por tiristores de gran potencia. Sólo
mediante la electrónica de mando de motores descentralizados ha sido posible obtener las prestaciones actuales
de estos tipos de trenes.
En los trolebuses, un convertidor transistorizado suministra una potencia de 7 kW-24 voltios a partir de la tensión
de línea de 750 voltios. Funcionando a una frecuencia eleva-da, el volumen y el peso del convertidor se reducen
enormemente con respecto a lo que se requeriría en una solución "clásica".
En el proyecto franco-alemán de tren de alta velocidad que circularía sobre un colchón magnético, dispositivos
darlington que trabajan a 50 Khz aseguran una regulación muy rápida del campo magnético de sustentación del
tren. La potencia instalada para el control del campo magnético de una unidad alcanza varios cientos de kilowatts.
La potencia máxima de los convertidores de tracción con tiristores situados cerca de los rieles es del orden del
megavatio
Para estas aplicaciones tan avanzadas, la industria del semiconductor de potencia desarrolla actualmente
componentes de bajas pérdidas de conmutación en soportes de alta eficacia.
DISPOSITIVOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Dentro de los dispositivos electrónicos de potencia, podemos citar: los diodos y transistores de potencia, el tiristor, así como otros derivados de éstos, tales como los triac, diac, conmutador unilateral o SUS, transistor uniunión o UJT, el transistor uniunión programable o PUT y el diodo Shockley.
Existen tiristores de caracteristicas de potencias como los fototiristores, los tiristores de doble puerta y el tiristor bloqueable por puerta (GTO).
Lo más importante a considerar de estos dispositivos, es la curva caracteristica que nos relaciona la intensidad que los atraviesa con la caida de tension entre los electrodos principales.
El componente básico del circuito de potencia debe cumplir los siguientes requisitos :
- Tener dos estados claramente definidos, uno de alta impedancia (bloqueo) y otro de baja impedancia (conducción).
- Poder controlar el paso de un estado a otro con facilidad y pequeña potencia.
- Ser capaces de soportar grandes intensidades y altas tensiones cuando está en estado de bloqueo, con pequeñas caídas de tensión entre sus electrodos, cuando está en estado de conducción. Ambas condiciones lo capacitan para controlar grandes potencias.
- Rapidez de funcionamiento para pasar de un estado a otro.
El último requisito se traduce en que a mayor frecuencia de funcionamiento habrá una mayor disipación de potencia. Por tanto, la potencia disipada depende de la frecuencia.
CLASIFICACIÓN:
Dispositivos no Controlados: en Este grupo se encuentran los
Diodos. Los Estados de Conducción o Cierre (ON) y Bloqueo o abertura (OFF)
dependen del circuito de Potencia.Por
del tanto, Estós Dispositivos no disponen de ningún terminal de el control
externo. 2.
Dispositivos semicontrolados: En Este grupo se encuentran,
Dentro de la familia de los tiristores,los SC R ("Silicon Controlled
rectificador ") y los TRIAC ("T Riode de Corriente Alterna ").
En Este Caso su puesta en Conducción (paso de OFF a ON) se Dębe un Una Señal de
externa de control Que se Aplica en uno de los terminales del Dispositivo,
comúnmente denominado
puerta
. Por Lado Otro, Do Bloqueo (paso de un EN OFF) lo deter el
propio circuito de Potencia . Es Decir, se Tiene el control externo de la
puesta en Conducción, Pero No Asídel Bloqueo del Dispositivo. 3.
Dispositivos TOTALMENTE Controlados: En Este grupo
encontramos los Transistores
bipolaresBJT ("Bipolar Unión Transistor "), los Transistores
de efecto de campo MOSFET (" Metal Oxide Semiconductor transistor de
efecto campo "), los Transistores
bipolares de puertaAislada IGBT ("puerta aislada Transistor Bipolar
") ylos tiristores GTO ("Puerta de apagado Tiristor"), Entre
Otros .
DIODOS:
Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.
SCHOTTKY
El diodo Schottky o diodo de barrera Schottky, llamado así en honor del físico alemán Walter H. 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.
El diodo Schottky está constituido por una unión metal-semiconductor (barrera Schottky), en lugar de la unión convencional semiconductor P - semiconductor N utilizada por los diodos normales.
Así se dice que el diodo Schottky es un dispositivo semiconductor "portador mayoritario". Esto significa que, si el cuerpo semiconductor está dopado con impurezas tipo N, solamente los portadores tipo N (electrones móviles) desempeñarán un papel significativo en la operación del diodo y no se realizará la recombinación aleatoria y lenta de portadores tipo N y P que tiene lugar en los diodos rectificadores normales, con lo que la operación del dispositivo será mucho más rápida.
RECUPERACIÓN RÁPIDA
Son dispositivos que tienen una caída de voltaje directa (VF) muy pequeña, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales.
Cuando se realiza una ensambladura entre una terminal metálica se hace un material semiconductor, el contacto tiene, típicamente, un comportamiento óhmico, cualquiera, la resistencia del contacto gobierna la secuencia de la corriente. Cuando este contacto se hace entre un metal y una región semiconductora con la densidad del dopante relativamente baja, las hojas dominantes del efecto debe ser el resistivo, comenzando también a tener un efecto de rectificación. Un diodo Schottky, se forma colocando una película metálica en contacto directo con un semiconductor, según lo indicado en la figura N°05. El metal se deposita generalmente en un tipo de material N, debido a la movilidad más grande de los portadores en este tipo de material. La parte metálica será el ánodo y el semiconductor, el cátodo.
RECTIFICADORES
Un diodo rectificador es uno de los dispositivos de la familia de los diodos más sencillos. El nombre diodo rectificador” procede de su aplicación, la cual consiste en separar los ciclos positivos de una señal de corriente alterna.
Si se aplica al diodo una tensión de corriente alterna durante los medios ciclos positivos, se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica.
Pero durante los medios ciclos negativos, el diodo se polariza de manera inversa; con ello, evita el paso de la corriente en tal sentido.
Una de las aplicaciones clásicas de los diodos rectificadores, es en las fuentes de alimentación; aquí, convierten una señal de corriente alterna en otra de corriente directa.
TIRISTORES:
El tiristor (gr.: puerta) 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 de potencia eléctrica.
SCR
El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) 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.
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)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 un diodo 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.
TRIAC
El Triac es un dispositivo semiconductor que pertenece a la familia de los dispositivos de control: los tiristores. El triac es en esencia la conexión de dos tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.
A1: Anodo 1, A2: Anodo 2, G: Compuerta
El triac sólo se utiliza en corriente alterna y al igual que el tiristor, se dispara por la compuerta. Como el triac funciona en corriente alterna, habrá una parte de la onda que será positiva y otra negativa.
Funcionamiento del Triac
La parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de arriba hacia abajo(pasará por el tiristor que apunta hacia abajo), de igual manera:
La parte negativa de la onda (semiciclo negativo) pasará por el triac siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta, de esta manera la corriente circulará de abajo hacia arriba (pasará por el tiristor que apunta hacia arriba)
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.
El transistor es la piedra angular de los dispositivos electrónicos modernos y parte esencial de los sistemas electrónicos. Siguiendo su desarrollo en 1947 por los físicos americanos John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley, El transistor ha revolucionado el campo de los electrónicos y pavimentado el camino para radios, calculadoras y computadoras más baratos y pequeños, entre tantas otras cosas. El transistor está en la lista de piedras angulares en el desarrollo de los electrónicos en la IEEE y sus inventores obtuvieron el premio Nobel de física de 1956 por su creación.
BJT
El transistor de unión bipolar (del inglés bipolar junction transistor, o sus siglas 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.
Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.
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 emisor de portadores de carga.
- Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
- Colector, de extensión mucho mayor.
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.
El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados surtidor (S), drenador (D), compuerta (G) y sustrato (B). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal del surtidor, y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales.
El término 'metal' en el nombre MOSFET es actualmente incorrecto ya que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino. El aluminio fue el material por excelencia de la compuerta hasta mediados de 1970, cuando el silicio policristalino comenzó a dominar el mercado gracias a su capacidad de formar compuertas auto-alineadas. Las compuertas metálicas están volviendo a ganar popularidad, dada la dificultad de incrementar la velocidad de operación de los transistores sin utilizar componentes metálicos en la compuerta. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante en la compuerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.
Un transistor de efecto de campo de compuerta aislada o IGFET es un término relacionado que es equivalente a un MOSFET. El término IGFET es más inclusivo, ya que muchos transistores MOSFET utilizan una compuerta que no es metálica, y un aislante de compuerta que no es un óxido. Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo metal-aislante-semiconductor.
IGBT:
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los transistores de efecto campo con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del transistor bipolar, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del BJT.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta entonces, en particular en los Variadores de frecuencia así como en las aplicaciones en máquinas eléctricas y convertidores de potencia que nos acompañan cada día y por todas partes, sin que seamos particularmente conscientes de eso: automóvil, tren, metro, autobús, avión, barco, ascensor, electrodoméstico, televisión, domótica, Sistemas de Alimentación Ininterrumpida o SAI , etc.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 100 kHz y ha sustituido al BJT en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de altas y medias energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y cocina de inducción. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios.
Bibliografia:
es.wikipedia.org/wiki/Electrónica_de_potencia
es.slideshare.net/8EL/electrnica-de-potencia
www.ita.mx/.../electronica.../FAIELC-2010-211ElectronicadePotencia
es.wikipedia.org/wiki/Tiristo
es.wikipedia.org/wiki/Transistor
es.wikipedia.org/wiki/Diodo
es.wikipedia.org/wiki/Diodo_Schottky
www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/321-diodos-rectificadores
www.electronica2000.com/temas/tiristor.htm
es.wikipedia.org/wiki/Triac
www.unicrom.com/Tut_triac.asp
es.wikipedia.org/wiki/Transistor
es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_unión_bipolar
es.wikipedia.org/wiki/Electrónica_de_potencia
es.slideshare.net/8EL/electrnica-de-potencia
www.ita.mx/.../electronica.../FAIELC-2010-211ElectronicadePotencia
es.wikipedia.org/wiki/Tiristo
es.wikipedia.org/wiki/Transistor
es.wikipedia.org/wiki/Diodo
es.wikipedia.org/wiki/Diodo_Schottky
www.ladelec.com/teoria/informacion-tecnica/321-diodos-rectificadores
www.electronica2000.com/temas/tiristor.htm
es.wikipedia.org/wiki/Triac
www.unicrom.com/Tut_triac.asp
es.wikipedia.org/wiki/Transistor
es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_unión_bipolar
No hay comentarios.:
Publicar un comentario