Electrónica
de potencia
1. OBJETIVOS:
El objetivo consiste en desarrollar las disciplinas básicas de la
conversión energética, con una suficiente profundidad, para exponer los
principios fundamentales, conceptos, técnicas, métodos y circuitos suficientes para
entender y ser capaces de diseñar sistemas de electrónica de potencia para
aplicaciones industriales.
2. SIGNIFICADO:
La expresión electrónica
de potencia 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.
3. PARTES DE
UN EQUIPO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
4. APLICACIONES:
Las principales aplicaciones
de los convertidores electrónicos de potencia son las siguientes:
Fuentes de
alimentación: En la actualidad han cobrado gran importancia un subtipo de
fuentes de alimentación electrónicas, denominadas fuentes de alimentación
conmutadas. Estas fuentes se caracterizan por su elevado rendimiento y
reducción de volumen necesario.
Control de motores
eléctricos: La utilización de convertidores electrónicos permite controlar
parámetros tales como la posición, velocidad o par suministrado por un motor.
Calentamiento por inducción: Consiste
en el calentamiento de un material conductor a través del campo generado por un
inductor. La alimentación del inductor se realiza a alta frecuencia,
generalmente en el rango de los kHz, de manera que se hacen necesarios
convertidores electrónicos de frecuencia.
Otras: Como se ha comentado
anteriormente son innumerables las aplicaciones de la electrónica de potencia.
Además de las ya comentadas destacan: sistemas de alimentación
ininterrumpida, sistemas de control del factor de potencia, balastos
electrónicos para iluminación a alta frecuencia, interface entre fuentes de
energía renovables y la red eléctrica, etc.
5. DISPOSITIVOS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA:
Dispositivos
semiconductores de potencia
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:
·
Diodos de potencia
·
Rectificador controlado de silicio (SCR en inglés)
·
Transistores bipolares de juntura de potencia (BJT)
·
MOSFET de potencia
·
Transistores bipolares de compuerta aislada(IGBT)
·
Transistor de inducción estática(SIT)
5.1. CLASIFICACIÓN:
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
Convertidores de la Energía
Eléctrica
Conversión de potencia es el
proceso de convertir una forma de energía en otra, esto puede incluir procesos
electromecánicos o electroquímicos. Dichos dispositivos son empleados en
equipos que se denominan convertidores estáticos de potencia, clasificados en:
·
Rectificadores: convierten corriente alterna en corriente continua.
·
Inveror: convierten corriente continua en corriente alterna.
·
Cicloconversores: convierten corriente alterna en corriente alterna.
·
Choppers: convierten corriente continua en corriente continua.
En la actualidad esta disciplina
está cobrando cada vez más importancia debido principalmente a la elevada
eficiencia de los convertidores electrónicos en comparación a los métodos
tradicionales, y su mayor versatilidad. Un paso imprescindible para que se
produjera esta revolución fue el desarrollo de dispositivos capaces de manejar
las elevadas potencias necesarias en tareas de distribución eléctrica o manejo
de potentes motores.
6. Diodos:
El diodo ideal es un
componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus
terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido
contrario.
En la Figura 1 se muestran
el símbolo y la curva característica tensión-intensidad del funcionamiento del
diodo ideal. El sentido permitido para la corriente es de A a K.
El funcionamiento del diodo ideal es el de un componente que presenta resistencia nula al paso de la corriente en un determinado sentido, y resistencia infinita en el sentido opuesto. La punta de la flecha del símbolo circuital, representada en la figura 1, indica el sentido permitido de la corriente.
Mediante
el siguiente ejemplo se pretende mostrar el funcionamiento ideal de un diodo en
circuito sencillo.
6. 1. DIODO SCHOTTKY
A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unión P–N,
el diodo schottky tiene una unión Metal-N.
Estos diodos se caracterizan por su velocidad de conmutación,
una baja caída de voltaje cuando están polarizados en directo (típicamente
de 0.25 a 0.4 voltios).
Características:
- El diodo Schottky tiene
poca capacidad de conducción de corriente en directo (en
sentido de la flecha).
Esta característica no permiten
que sea utilizado como diodo rectificador. Hay procesos de rectificación
(por ejemplo fuentes de alimentación) en que la cantidad de corriente
que tienen que conducir en sentido directo es bastante grande.
- El diodo Schottky no acepta
grandes voltajes que lo polaricen inversamente (VCRR).
El proceso de rectificación
antes mencionado también requiere que la tensión inversa que tiene
que soportar el diodo sea grande.
Sin embargo el diodo
Schottky encuentra gran cantidad de aplicaciones en
circuitos de alta velocidad como en computadoras.
En estas aplicaciones se
necesitan grandes velocidades de conmutación y su poca caída
de voltaje en directo causa poco gasto de energía.
El diodo Schottky o diodo de
barrera Schottky, se llama así en honor del físico alemán Walter H. Schottky.
6. 2. RECUPERACION RAPIDA:
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 permitir el 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.
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.
6. 3. 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.
Durante la fabricación de los
diodos rectificadores, se consideran tres factores: la frecuencia máxima en que
realizan correctamente su función, la corriente máxima en que pueden conducir
en sentido directo y las tensiones directa e inversa máximas que soportarán.
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.
7. TIRISTORES:
Los tiristores son una familia de
dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para
controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de
bajo consumo de potencia.
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.
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.
7.1. SCR
(SILICON CONTROLLED RECTIFIER)
El SCR es un dispositivo de cuatro capas muy
similar al diodo Shockley, con la diferencia de poseer tres terminales: ánodo,
cátodo y puerta (gate). Al igual que el diodo Shockley, presenta dos estados de
operación: abierto y cerrado, como si se tratase de un interruptor.
CARACTERÍSTICA TENSIÓN INTENSIDAD
Tal y como se aprecia en la Figura 5,
la parte de polarización inversa de la curva es análoga a la del diodo
Shockley.
En cuanto a la parte de polarización
positiva, el diodo no conduce hasta que se recibe un pulso de tensión en el
terminal de puerta (gate). Una vez recibido, la tensión entre ánodo y cátodo
cae hasta ser menor que un voltio y la corriente aumenta rápidamente, quedando
limitada en la práctica por componentes externos.
Podemos ver en la curva cuatro valores
importantes. Dos de ellos provocarán la destrucción del SCR si se superan: VRB e IMAX. VRB (Reverse Breakdown Voltage) es, al
igual que en el diodo Shockley, la tensión a partir de la cual se produce el
fenómeno de avalancha. IMAX es la corriente máxima que puede
soportar el SCR sin sufrir daño.
METODOS DE CONMUTACION:
Para que el dispositivo interrumpa la
conducción de la corriente que circula a través del mismo, ésta debe disminuir
por debajo del valor IH (corriente de mantenimiento). Hay dos
métodos básicos para provocar la apertura el dispositivo: interrupción de
corriente anódica y conmutación forzada.
En la Figura se observa cómo la
corriente anódica puede ser cortada mediante un interruptor bien en serie
(figura izquierda), o bien en paralelo (figura derecha). El interruptor en
serie simplemente reduce la corriente a cero y hace que el SCR deje de
conducir. El interruptor en paralelo desvía parte de la corriente del SCR,
reduciéndola a un valor menor que IH.
7.2. 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.
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:
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).
7.3. GTO:
Tiristor desactivado por compuerta (GTO).
Son semiconductores discretos que actúan
como interruptores completamente controlables, los cuales pueden ser encendidos
y apagados en cualquier momento con una señal de compuerta positiva o negativa
respectivamente. Estos componentes están optimizados para tener muy bajas
pérdidas de conducción y diseñados para trabajar en las más demandantes
aplicaciones industriales. Estos componentes son altamente utilizados en
Convertidores de Alto Voltaje y Alta Potencia para aplicaciones de baja y media frecuencia.
Estructura
Un tiristor GTO tiene la estructura muy similar a un tiristor
SRC convecional, como se muestra en la figura I. con sus 4 capas de silicio
(PNPN) y tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G).
Funcionamiento
Un tiristor GTO, al igual que un SCR puede activarse mediante
la aplicación de una señal positiva de compuerta. Sin embargo, se puede
desactivar mediante una señal negativa de compuerta. Un GTO es un dispositivo
de enganche y se construir con especificaciones de corriente y voltajes
similares a las de un SCR. Un GTO se activa aplicando a su compuerta un pulso
positivo corto y se desactiva mediante un pulso negativo corto.
Principales aplicaciones en la industria
·
Troceadores y convertidores
·
Control de motores asíncronos
·
Inversores
·
Caldeo inductivo
·
Rectificadores
·
Soldadura al arco
·
Sistema de alimentación ininterrumpida (SAI)
·
Control de motores
·
Tracción eléctrica
8. TRANSISTOR:
El transistor, inventado en
1951, es el componente electrónico estrella, pues inició una auténtica
revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión inicial.
También se llama Transistor Bipolar o Transistor Electrónico.
El Transistor es un
componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual pues
lo encontramos presente en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como las
radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc.
Los transistores son
unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de circuitos
electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control.
En la imagen siguiente vemos
a la derecha un transistor real y a la izquierda el símbolo usado en los
circuitos electrónicos. Fíjate que siempre tienen 3 patillas y se llaman
emisor, base y colector. Es muy importante saber identificar bien las 3
patillas a la hora de conectarlo. En el caso de la figura, la 1 sería el
emisor, la 2 el colector y la 3 la base.
Un transistor es un
componente que tiene, básicamente, dos funciones:
- Deja pasar o corta señales eléctricas a
partir de una PEQUEÑA señal de mando. Como Interruptor.
- Funciona como un elemento Amplificador de señales.
Pero el Transistor
también puede cumplir funciones de amplificador, oscilador, conmutador o
rectificador.
8.1 El
Transistor Bipolar o BJT
Transistor NPN
|
Transistor PNP
|
El transistor bipolar es el más común
de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.
Existen dos tipos transistores: el NPN
y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada
caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.
El transistor es un dispositivo de 3
patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E),
coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el
gráfico de transistor.
El transistor es un amplificador de
corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente
por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad
mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama b
(beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
Según la fórmula anterior las
corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la
realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc.
Ver figura.
8.2 MOSFET:
MOSFET.
Son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste
en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el
transistor más utilizado en la industria microelectrónica. La práctica
totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados en
transistores MOSFET.
Fue
ideado teóricamente por el alemán Julius Von Edgar Lilienfeld en 1930, aunque
debido a problemas de carácter tecnológico y el desconocimiento acerca de cómo
se comportan los electrones sobre la superficie del semiconductor no se
pudieron fabricar hasta décadas más tarde. Tambien se llama mosfet a los
aislados por juntura de dos componentes.
Funcionamiento
Un
transistor MOSFET consiste en un sustrato de material semiconductor dopado en
el que, mediante técnicas de difusión de dopantes, se crean dos islas de tipo
opuesto separadas por un área sobre la cual se hace crecer una capa de
dieléctrico culminada por una capa de conductor.
Tipos de
Mosfet
Los
transistores MOSFET se dividen en dos tipos fundamentales dependiendo de cómo
se haya realizado el dopaje: Tipo nMOS: Sustrato de tipo p y difusiones de tipo
n. Tipo pMOS: Sustrato de tipo n y difusiones de tipo p. Las áreas de difusión
se denominan fuente y drenador, y el conductor entre ellos es la puerta.
Estados
de los Mosfet
El
transistor MOSFET tiene tres estados de funcionamiento:
·
Estado de
corte
·
Estado de
corte Cuando la tensión de la puerta es idéntica a la del sustrato.
·
Estado de
NO conducción
El MOSFET
está en estado de no conducción: ninguna corriente fluye entre fuente y
drenador aunque se aplique una diferencia de potencial entre ambo
En esta figura se tiene una
comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de
empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFET (dibujados con el surtidor y el drenador
ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior
del símbolo y la corriente fluye hacia abajo).
Para aquellos símbolos en los que el terminal del sustrato se muestra, aquí se representa conectada internamente al surtidor. Esta es la configuración típica, pero no significa que sea la única configuración importante. En general, el MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales, y en los circuitos integrados muchos de los MOSFET comparten una conexión común entre el sustrato, que no está necesariamente conectada a los terminales del surtidor de todos los transistores.
8.3 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.
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 medidas energía como fuente conmutada, control de la
tracción en motores y cocina. 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.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Tiene la capacidad de manejo
de corriente de un bipolar pero no requiere de la corriente de base para
mantenerse en conducción. Sin embargo las corrientes transitorias de
conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de
electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja
más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto
a los primeros.
Este es un dispositivo
para la conmutación en sistemas de alta
tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de
potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en la puerta.
9. CUESTIONARIO:
1.
¿Cuál es el objetivo?
El objetivo
consiste en desarrollar las disciplinas básicas de la conversión energética,
con una suficiente profundidad, para exponer los principios fundamentales.
2.
¿Cuál es el significado de
la electrónica de potencio?
La expresión electrónica de potencia 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.
3.
¿Cuáles son las 2 partes
en las que se divide un equipo de electrónica de potencia?
Un circuito de potencia y un
circuito de control
4.
Nombras 5 aplicaciones de
la electrónica de potencia:
Motores
Baterías
Iluminación
Soldadura
Red
5.
¿Qué es un diodo?
El diodo ideal es un
componente discreto que permite la circulación de corriente entre sus
terminales en un determinado sentido, mientras que la bloquea en el sentido
contrario.
6.
¿Qué es un tiristor?
Los tiristores son una
familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan
para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos
de bajo consumo de potencia.
7.
¿Cuál es el funcionamiento
de un tiristor GTO?
Un tiristor
GTO, al igual que un SCR puede activarse mediante la aplicación de una señal
positiva de compuerta. Sin embargo, se puede desactivar mediante una señal
negativa de compuerta.
8.
¿Cuáles son las dos
funciones de un transistor?
Deja pasar o corta señales
eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de mando. Como Interruptor.
- Funciona como un elemento Amplificador de señales.
9.
¿Cuál es el funcionamiento
de un transistor MOSFET?
Consiste en un sustrato de
material semiconductor dopado en el que, mediante técnicas de difusión de
dopantes, se crean dos islas de tipo opuesto separadas por un área sobre la
cual se hace crecer una capa de dieléctrico culminada por una capa de
conductor.
10. ¿Qué es un transistor IGBT?
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.
10. Bibliografía:
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