Objetivo
Se busca aprender y conocer los elementos basicos de la electronica de potencia, asi como, sus definiciones y su utilidad en la industria.
Significado
La potencia es la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo.
La electrónica de potencia estudia los dispositivos,circuitos y aparatos eléctricos utilzados para modificar características de la energía eléctrica.
Partes electrónicas
Un equipo eléctrico se compone principalmente por:
- Una fuente de alimentacion
- En ocaciones se utiliza un Filtro De Entrada
- El circuito de potencia
- Un circuito de control
- Un filtro de salida
- Una carga.
Aplicación de la electrónica de potencia
Las aplicaciones electricas mas comunes y factibles son las siguientes:
- Tracción eléctrica: Como los troceadores y convertidores.
- Industrial.
- Control de motores asincronos.
- Caldeo Inductivo.
- Inversores.
- Rectificadores.
Dispositivo de electronica de potencia
Dentro de los dispositivos mas comunes citamos a los diodos, transistores de potencia, el tiristor.
En el siguiente video se explican los distintos tipos y diseños de dispositivos de potencia que tienen y aportan una gran contribucion a la misma.
Clasificación
La clasificacion de los dispositivos de energia de potencia mas comunes y faciles son los:
- Dispositivos No Controlados:
Estos dispositivos se caracterisan por no tener una terminal externa. Los ejemplos mas claros son los diodos de bloqueo, los cuales no permiten el paso de la corriente. - Dispositivos Semi Controlados:
En este tipo de dispositivos se encuentran los diodos TRIACK, los cuales se activan con recibir un pulso positivo y se apagan recibiendo el mismo pulso pero en negativo. - Dispositivos Controlados:
Estos son los diodos MOSFET estos son utilizados para recibir la señal y amplificarla, estos con un solo pulso amplican la potencia.
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.
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).
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).
El diodo Schottky está más cerca del
diodo ideal que el diodo semiconductor común pero tiene algunas características
que hacen imposible su utilización en aplicaciones de potencia.
En el siguiente video se explica mas a fondo la funciion que tiene y la aportacion de este diodo
Recuperación Rápida
Los diodos pueden subdividirse en dos clases principales:
(Diodos de Recuperación Estándar) y Diodos Rápidos. Por regla general, los
diodos rectificadores se emplean para la conversión de corriente alterna (c.a)
a continua (c.c)
Los Diodos Rápidos están optimizados para soportar
solicitaciones dinámicas elevadas (transición rápida del estado de conducción
al de bloqueo).
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 (por ejemplo, la "libre circulación" de potencia reactiva)
para permitir el funcionamiento del sistema convertidor de continua a alterna
con cargas inductivas.
Este es un ejemplo de la funcion que tiene un diodo de recuperación rápida:
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.
En el siguiente video se muestra la aplicacion y la funcion de los diodos rectificadores, en la cuestiona automotriz mas sencilla y pratica.
Tiristor
El tiristor es un componente
electrónico constituido en 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.
El dispositivo consta de
un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por
tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice
también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3
uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está
conectado a la unión J2 (unión NP).
Algunas fuentes definen
como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SC1),1 otras
definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC.
SCR
SCR - Símbolo, estructura y funcionamiento básico.El SCR (Silicon Controled Rectifier /
Rectificador controlado de silicio) es un dispositivo semiconductor de
4 capas que funciona como un conmutador casi ideal.
Para los diodos SCR se utiliza la corriente continua.
Los parámetros del SCR son:
- VRDM: Máximo voltaje inverso de cebado (VG = 0)
- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)
- IF: Máxima corriente directa permitida.
- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.
- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado.
- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR.
- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.
- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.
- VFOM: Máximo voltaje directo sin cebado (VG = 0)
- IF: Máxima corriente directa permitida.
- PG: Máxima disipación de potencia entre compuerta y cátodo.
- VGT-IGT: Máximo voltaje o corriente requerida en la compuerta (G) para el cebado.
- IH: Mínima corriente de ánodo requerida para mantener cebado el SCR.
- dv/dt: Máxima variación de voltaje sin producir cebado.
- di/dt: Máxima variación de corriente aceptada antes de destruir el SCR.
Triac
Es un componente simetrico en cuanto a la conduccion y de bloqueo.Se caracterisa por tener unas fugas en bloquo y en caida de tension y en conduccion son iguales a las de un tristor y el hecho de que entre en conduccion, aunquese se separa la tension de ruptura lo deja inmune a la destruccion por sobretension.
En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de lo que es un triac
En la siguiente imagen se muestra un ejemplo de lo que es un triac
Diac
Es un dispositivo semiconductor con 2 terminales parecidas a las de un transistor que tienen un cierto tipo de conductividad en ambos sentidos. Es un dispositivo que su funcion es prácticamente como la de 2 diodos Shockley que conducen la corriente en sentidos opuestos.
Un ejemplo de como esta un Diac con sus 2 terminales
Tiristor GTO (Gate Turn/Off)
El tiristor GTO puede activarse con un solo pulso de corriente positiva en la terminal gate, como tambien puede ser apagado por un pulso negativo en la terminal gate. Ambos estados prendido/apagado son controlados por pulsos en la terminal gate.
El simbolo para representar el tiristor GTO se muestra en la siguiente imagen
- Diodo Shockley
El diodo Shockey es un tiristor
con dos terminales: ánodo y cátodo. Está constituido por cuatro capas
semiconductoras que forman una estructura pnpn. Actúa como un interruptor: está
abierto hasta que la tensión directa aplicada alcanza un cierto valor, entonces
se cierra y permite la conducción. La conducción continúa hasta que la
corriente se reduce por debajo de un valor específico (IH).
Este es el simbolo del diodo Shockley
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.
En la siguiente foto se muestra un transistor de motor y uno de potencia
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Transistor BJT (De Union Bipolar)
El transistor bipolar es el más común de los transistores,
y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.
En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector.
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 bipolar 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 ß (beta) y es un dato propio de cada
transistor.
- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de
amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base).
- Ic = ß * Ib
- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es igual a (ß+1) * Ib, pero se redondea al mismo valor que Ic, sólo que la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.
Este es su simbolo
En este siguiente video se muestra la descripcion de un transistor BJT, sus partes y componentes basicos.
MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor
(MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo
eléctrico para crear una canal de conducción.
Son dispositivos más importantes que los JFET ya
que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología
MOS.
Existen dos tipos de
transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de
canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación
(enhancement) o deplexion. En la actualidad los segundos están prácticamente en
desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de acumulación también conocidos como de enriquecimiento.
En la imagen se muestran las partes que componen el tipo ¨N¨ y el tipo ¨P¨.
En esta imagen se muestran 2 transistores mosfet comunes:
Este video muestra las funciones que tiene un MOSFET
IGBT
Los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) constituyen,
desde el punto de vista de su empleo, un híbrido entre los transistores
bipolares y los MOSFET para aprovechar tanto la sencillez de ataque de los
últimos, como la capacidad para conducir altas corrientes y baja resistencia en
conducción de los primeros.
La estructura básica, así como el circuito equivalente se
muestra en la siguiente figura:
Y su simbolo es el siguiente:
En este video se muestra el funcionamiento basico y la comparacion que se hace con un MOSFET:
Cuestionario
- Que es potencia eléctrica?La potencia es la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo.
- Como se clasifican los elementos de potencia electrica?Controlados, No Controlados, Semi Controlados.
- Que 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.
- Que es un diodo Schoktly?Es un dispositivo semiconductor que proporciona conmutaciones muy rápidas entre los estados de conducción directa e inversa
- Una característica de los diodos recuperación rapida Los Diodos Rápidos están optimizados para soportar solicitaciones dinámicas elevadas (transición rápida del estado de conducción al de bloqueo).
- Que pasa si se le aplica tension alterna a un diodo durante un ciclo?Se polariza en forma directa; de esta manera, permite el paso de la corriente eléctrica.
- Caracteristicas de los transistores?Las altas tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas potencias a disipar.
- Que es un Tiristor?El tiristor es un componente electrónico constituido en elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación.
- Cual es la principal funcion de un transistor MOSFET?Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico para crear una canal de conducción.
- Cuales son los 2 tipos de transistores BJT mas comunesComo los diodos, puede ser de germanio o silicio.
Bibliografia
