Electrónica de Potencia
Objetivo:
Que nuestro lector aprenda, conosca, reafirme,aprenda tanto como de electronica de potencia asi como de sus partes, aplicaciones, usos, etc.
Introduccion:
Cada vez son más los dispositivos y sistemas que en una o
varias de sus etapas son accionados por energía eléctrica. Los accionamientos
consisten, en general, en procesos que transforman la energía eléctrica en otro
tipo de energía, o en el mismo tipo, pero con diferentes características. Los
encargados de realizar dichos procesos son los Sistemas de Potencia. La electrónica de potencia se basa principalmente en la
conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de
la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades de manejo de
potencia y la rapidez de conmutación de los dispositivos de potencia ha
manejado en forma considerable. El desarrollo de los microprocesadores y la
tecnología de las micro computadoras tienen un gran impacto sobre el control y
la sistetización de la estrategia de control para los dispositivos
semiconductores de potencia.
Estructura de los sistemas electrónicos de potencia.
Todos los sistemas electrónicos de potencia presentan una
estructura básica similar formada por tres bloques: El circuito de potencia, el
circuito de disparo y bloqueo y el circuito de control.
La Electrónica de Potencia es la parte
de la Electrónica que se encarga de estudiar los dispositivos, circuitos,
sistemas y procedimientos para el procesamiento, control y conversión de la
energía eléctrica.
La electrónica de potencia es una rama
de la Ingeniería Eléctrica que se enfoca principalmente en la conversión y
control de la energía eléctrica para diferentes aplicaciones tales como el
control de alumbrado, procesos electro químicos, suministros de energía regulada
de CD y CA, soldadoras eléctricas, filtrado activo, compensación de VAR´S,
control del movimiento de máquinas eléctricas y otras más.
Partes de un equipo electrónico de potencia
La mayor flexibilidad y control de los dispositivos
electrónicos, hace que se apliquen para resolver procesos cada vez más
complejos. Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos
partes:
El Circuito de potencia comprende
los dispositivos semiconductores de potencia agrupados formando las diferencias
topológicas correspondientes a cada tipo de convertidor. Los circuitos de
potencia son los encargados de Actuar sobre
la energía eléctrica presente a la entrada del sistema para convertir en la energía
eléctrica con la forma deseada.
Circuito de
potencia: es el encargado de alimentar al receptor (por
ejemplo: motor, calefacción, electro freno, iluminación, etc.). Está compuesto
por el contactor (identificado con la letra K), elementos de protección
(identificados con la letra F como pueden ser los
fusibles F1, relé térmico F2, relés magnetotérmicos,
etc.) y un interruptor trifásico general (Q). Dicho circuito estará
dimensionado a la tensión e intensidad que necesita el motor. En la figura se
muestra el circuito de potencia del arranque directo de un motor trifásico.
El circuito de control o (Mando) se
encarga de, como su nombre indica, controlar el proceso de conversión de la
energía. Este control se realiza comparando la salida del sistema con la salida
deseada y, a partir del resultado, generando las señales necesarias para
disparar y bloquear los semiconductores de potencia de forma adecuada.
Circuito de mando: es el encargado de controlar
el funcionamiento del contactor. Normalmente consta de elementos de mando
(pulsadores, interruptores, etc. identificados con la primera letra con una S),
elementos de protección, bobinas de contactores, temporizadores y contactos
auxiliares. Este circuito está separado eléctricamente del circuito de
potencia, es decir, que ambos circuitos pueden trabajar a tensiones
diferentes, por ejemplo, el de potencia a 380 V de c.a. y el de mando a 24 V de
c.c. Como ejemplo adjuntaremos una serie de esquemas de mando:
Aplicaciones de la electrónica de potencia
Durante
muchos años ha existido la necesidad de controlar 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 revolucionado 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.
El desarrollo de las
tecnologías de los microprocesadores- micro computadoras tiene un gran impacto
sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los
dispositivos semiconductores de potencia. El equipo de electrónica de potencia
moderno utiliza (1) Semiconductores de potencia, que pueden compararse con el
musculo, y (2) micro electrónico, que tiene el poder y la inteligencia
del cerebro.
Aplicaciones generales como
se muestra en la figura siguiente , en el eje vertical Capacidad en (VA) y en el eje
horizontal Frecuencia de operación en (Hz).
Productos donde se aplica la electrónica de
potencia
La electrónica de potencia ha alcanzado ya un lugar
importante en la tecnología moderna y se utiliza ahora en una gran diversidad
de productos de alta potencia, que incluye:
- ·
Controles de calor
- ·
Controles de iluminación
- ·
Controles de motor
- ·
Fuente de alimentación
- ·
Sistema de propulsión de vehículos
- · Sistemas de corriente directa de alto voltaje
( HVDC por sus siglas en inglés)
Consumo de Energía
- El 65% esta destinado a motores eléctricos.
- El 20% esta dedicado a sistemas de iluminaion
- El resto es consumido por otros.
· Aplicaciones mas usuales
·
Industriales: Electrolisis, soldadura, robótica.
·
Transporte: Cargadores de baterías, metro, electrónica
de autos.
·
Distribución: Fuentes de energía, renovables,
filtros activos.
·
Aeroespaciales: alimentación a satélites y
lanzaderas.
·
Comerciales: Calefacción alimentación de
ordenadores y equipos.
·
Domesticas: Refrigeradores, iluminación, aire
acondicionado.
Dispositivos de la electrónica de potencia
Controlados: Estos dispositivos no disponen de ningún terminal
de control externo.
Semi controlados: Se tiene control externo de la puesta
en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
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.
Clasificación
Para estas aplicaciones se han desarrollado una serie de
dispositivos semiconductores de potencia, todos los cuales derivan del diodo o
el transistor. Entre estos se encuentran los siguientes:
ü Diodos
de potencia
ü Rectificadores
controlado de silicio (SCR) en ingles.
ü Transistores
bipolares de juntura de potencia (BJT)
ü MOSFET de potencia
ü Transistores
bipolares de compuerta aislada(IGBT)
ü Transistor
de inducción estática(SIT)
Los Tiristores pueden
subdividirse en ocho tipos:
- Tiristor
de conmutación forzada
- Tiristor
conmutado por linea
- Tiristor
desactivado por compuerta (GTO)
- Tiristor
de conducción inversa (RTC)
- Tiristor
de inducción estático (SITH)
- Tiristor
desactivado con asistencia de compuerta (GATT)
- Rectificador
controlado de silicio fotoactivo (LASCR)
- Tiristor
controlado por MOS (MCT)
- Triac.
Diodos
Un diodo semiconductor es una estructura P-N que permite
la circulación de corriente en un único sentido.
Diodos de potencia :
Componentes electrónico utilizado en la electrónica de
potencia .A diferencia de los de baja potencia estos se caracterizan por ser
capaces de soportar una alta intensidad con un pequeña caída
de tensión en estado de conducción y en sentido inverso,
deben ser capaces de soportar una fuerte tensión negativa de ánodo con una
pequeña intensidad de fugas.
Diodos rectificadores para baja frecuencia
Diodos para baja frecuencia
Características
IFAV: 1A – 6000 A
VRRM: 400 – 3600 V
VFmax: 1,2V (a IFAVmax)
trr: 10 µs
Aplicaciones
Rectificadores de Red.
Baja frecuencia (50Hz).
Diodos rápidos (fast) y ultrarrápidos (ultrafast)
Características
IFAV: 30A – 200 A
VFmax: 1,2V (a IFAVmax)
trr: 0,1 - 10 µs
Aplicaciones
Conmutación a alta frecuencia (>20kHz).
Inversores.
UPS.
Accionamiento de motores CA.
Diodos Schotkky
Se
utiliza cuando se necesita una caida de tension muy pequeña (0.3 V
tipicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan
tensiones inversas superiores a 50 - 100 V.
Características
VRRM: 15 – 150 V
VFmax: 0,7V (a IFAVmax)
trr: 5 ns
Aplicaciones
Fuentes conmutadas.
Convertidores.
Diodos de libre circulación.
Cargadores de baterías.
Diodos para aplicaciones especiales (alta tensión)
Características
VR: 7,5kV – 18kV
VRRM: 20V – 100V
trr: 150 ns
Diodos para aplicaciones especiales (alta corriente)
IFAV: 50A – 7000 A
VRRM: 400V – 2500V
VF: 2V
trr:10 µs
Diodo de recuperación rápida.Son
adecuados en circuitos de frecuencia elevada en combinación con
interruptores controlable, donde se necesitan tiempos
de recuperación pequeños. Para unos niveles de potencia de varios
cientos de voltios y varios cientos de amperios, estos diodos poseen un
tiempo de recuperación inversa (trr) de pocos nanosegundos.
Diodos rectificadores o de frecuencia de lineaLa tensión en
el estado de conducción (ON) de estos diodos es la pequeña posible,
y como consecuencia tener un trr grande, el cual es únicamente aceptable
en aplicaciones de la frecuencia de linea. Estos diodos son capaces de
bloquear varios kilo voltios y conducir kilo-amperios. Se pueden
conectar en serie y/o paralelo para satisfacer cualquier rango
de tensión o de corriente.
Tiristores
Los tiristores constituyen una familia de dispositivos
que pueden tomar diferentes nombres y características, pero donde todos los
elementos que la componen se basan en el mismo principio de funcionamiento. Constructiva mente son
dispositivos de 4 capas semiconductoras N-P-N-P y cuya principal
diferencia con otros dispositivos de potencia es que presentan un
comportamiento bies table. Su construcción se debe en su origen a General
Electric en 1957 y la comercialización general comienza hacia 1960.
Dentro de la familia de los
tiristores, trataremos en este tutorial los tipos más significativos: Diodo
Shockley, SCR (Silicon Controlled Rectifier), GCS (Gate Controlled Switch), SCS
(Silicon Controlled Switch), Diac y Triac.
La
palabra tiristor, procedente del griego, significa puerta. El nombre es
fiel reflejo de la función que efectúa este componente: una puerta que
permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Así como los
transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación,
los tiristores en cambio sólo conmutan entre dos estados: corte y
conducción.
En particular, el SCR (Silicon Controlled Rectifier), si
bien es solo uno de los miembros de la familia de los tiristores es el mas
caracterizado, por lo que se ha vuelto una costumbre generalizada denominarlos
por el nombre de la familia. En consecuencia, por lo general, al utilizarse el
término tiristor, en realidad se suele hacer referencia a los SCR, y se los
conoce inclusive así en el comercio, si bien en los manuales se lo ubica
correctamente con el nombre de SCR.
Los tiristores pueden tener 2, 3 o 4 terminales, y ser de
conducción unilateral (un solo sentido) o bilateral (en ambos sentidos). Ante
una señal adecuada pasan de un estado de bloqueo al de conducción, debido a un
efecto de re alimentación positiva. El pasaje inverso, de conducción a bloqueo
se produce por la disminución de la corriente principal por debajo de un
umbral. Funcionan como llaves, presentando dos estados posibles de funcionamiento:
No conducción (abierto)
Conducción (cerrado)
Triac
Este dispositivo es simular al diac pero con un
único terminal de puerta (gate). Se puede disparar mediante un pulso
de corriente de gate y no requiere alcanzar el voltaje VBO como
el diac.
Es
un tiristor bidireccional de tres terminales. Permite el paso de
corriente de la ternimal A1 al A2 y viceversa y puede ser disipados con tensiones de puerta de ambos signos. Es en esencia la conexión de os tiristores en paralelo pero conectados en sentido opuesto y compartiendo la misma compuerta.
La
parte positiva de la onda (semiciclo positivo) pasara por el triac
siempre y cuando haya habido una señal de disparo en la compuerta , de
esta manera la corriente circulara de arriba hacia abajo.
La
parte negativa de la onda pasara por el triac siempre y cunado haya
habido una señal de disparo en la compuerta de esta manera la corriente
circulara de abajo hacia arriba.
Lo interesante es , que se puede controlar el momento de disparo de esta patilla y así, controlar el tiempo que cada tiristor estará en conducción con esto se puede controlar la corriente que se entrega a una carga y por consiguiente la potencia que consume.
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.
Bibliográfica
