Que el estudiante sepa que es la electronica de potencia asi como su aplicacion en la vida real.
Electrónica de Potencia
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. Las aplicaciones de la electrónica estuvieron limitadas durante mucho tiempo a las técnicas de alta frecuencia (emisores, receptores, etc.). En la evolución de la electrónica industrial, las posibilidades estaban limitadas por la falta de fiabilidad de los elementos electrónicos entonces disponibles (tubos amplificadores, tiratrones, resistencias, condensadores). Esta fiabilidad era insuficiente para responder a las altas exigencias que se requerían en las nuevas aplicaciones del campo industrial. Gracias al descubrimiento de los dispositivos semiconductores (transistores, tiristores, etc.) en la década de los 60, que respondían a las exigencias industriales (alta fiabilidad, dimensiones reducidas, insensibilidad a las vibraciones mecánicas, etc.), la electrónica industrial hizo progresos increíbles, permitiendo la realización de procesos cada vez más complejos, destinados a la automatización de procesos industriales. En general, cualquier conversión de energía eléctrica se puede realizar por procedimientos electromecánicos o por procedimientos electrónicos. Los convertidores electrónicos disponen de las siguientes ventajas frente a los electromecánicos: 1. Mayor flexibilidad y más posibilidades de control. 2. Mayor estabilidad y mayor rapidez de respuesta, gracias a las características eléctricas. 3. Menor mantenimiento al no disponer de partes mecánicas. 4. Mayor vida media y mayor fiabilidad. 5. No producción del arco eléctrico.
Partes de un equipo electrónico de Potencia
Un equipo electrónico de potencia consta fundamentalmente de dos partes, tal como se simboliza en la siguiente figura :
1. Un circuito de Potencia, compuesto de semiconductores de potencia y elementos pasivos, que liga la fuente primaria de alimentación con la carga.
2. Un circuito de mando, que elabora la información proporcionada por el circuito de potencia y genera unas señales de excitación que determinan la conducción de los semiconductores controlados con una fase y secuencia conveniente. Antes de pasar al estudio de la electrónica de potencia, interesa resaltar su principal característica, mostrar sus particularidades y situar el campo de aplicación.
Aplicaciones de la Electrónica de Potencia
Aplicaciones de la electrónica de potencia.
Industriales: Electrolisis, alarmas, soldadura, robotica.
Transporte: Carcadores de baterias, metro, electronica del auto.
Distribución:Fuentes de energia renovables, filtros activos.
Aeroespaciales:almentacion de satélites y lanzaderas.
Comerciales:calefacción alimentación de ordenadores y equipos.
Domesticas:Refrigeradores, iluminación, aire acondicionado.
Consumo de Energía:
En general los sistemas de potencia se utilizan para accionar cualquier dispositivo que necesite una entrada de energía eléctrica distinta a la que suministra la fuente de alimentación primaria. Veamos a continuación algunas de las aplicaciones industriales de cada uno de los convertidores: Rectificadores:
- Alimentación de todo tipo de sistemas electrónicos, donde se necesite energía eléctrica en forma de corriente continua.
- Control de motores de continua utilizados en procesos industriales: Máquinas herramienta, carretillas elevadoras y transportadoras, trenes de laminación y papeleras.
- Transporte de energía eléctrica en c.c. y alta tensión.
- Procesos electroquímicos.
- Cargadores de baterías
Reguladores de alterna:
- Calentamiento por inducción.
- Control de iluminación.
- Equipos para procesos de electrodeposición. Cambiadores de frecuencia:
- Enlace entre dos sistemas energéticos de corriente alterna no sincronizados.
- Alimentación de aeronaves o grupos electrógenos móviles. Inversores:
- Accionadores de motores de corriente alterna en todo tipo de aplicaciones industriales.
- Convertidores corriente continua en alterna para fuentes no convencionales, tales como la fotovoltaica o eólica
- Calentamiento por inducción.
- SAI Troceadores:
- Alimentación y control de motores de continua.
- Alimentación de equipos electrónicos a partir de baterías o fuentes autónomas de corriente continua.
Aplicaciones más usuales:
El 65% esta estinado a motores electricos
El 20% está dedicado a sistemas de iluminación
El resto es consumidos por otrosDispositivos de Electrónica de Potencia
Clasificación
Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:
1. 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 tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
Clasificación
Los dispositivos semiconductores utilizados en Electrónica de Potencia se pueden clasificar en tres grandes grupos, de acuerdo con su grado de controlabilidad:
1. 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 tanto, estos dispositivos no disponen de ningún terminal de control externo.
2. Dispositivos semicontrolados: en este grupo se encuentran, dentro de la familia de los Tiristores, los SCR (“Silicon Controlled Rectifier”) y los TRIAC (“Triode of Alternating Current”). En éste caso su puesta en conducción (paso de OFF a ON) se debe a una señal de control externa que se aplica en uno de los terminales del dispositivo, comúnmente denominado puerta. Por otro lado, su bloqueo (paso de ON a OFF) lo determina el propio circuito de potencia. Es decir, se tiene control externo de la puesta en conducción, pero no así del bloqueo del dispositivo.
3. Dispositivos totalmente controlados: en este grupo encontramos los transistores bipolares BJT (“Bipolar Junction Transistor”), los transistores de efecto de campo MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), los transistores bipolares de puerta aislada IGBT (“Insulated Gate Bipolar Transistor”) y los tiristores GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”), entre otros.
Diodos
Un diodo semiconductor es una estructura P-N que, dentro de sus límites de tensión y corriente, permite la circulación de corriente en un único sentido. Detalles de funcionamiento, generalmente despreciados para los diodos de señal, pueden ser significativos para componentes de mayor potencia, caracterizados por un área mayor (para permitir mayores corrientes) y mayor longitud (para soportar tensiones inversas más elevadas). La figura 2.1 muestra la estructura interna de un diodo de potencia.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de un diodo de potencia.
Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:
Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
La figura siguiente muestra el símbolo y la característica estática corriente-tensión de un diodo de potencia.
Dependiendo de las aplicaciones, existen varios tipos de diodos:
Diodos Schottky: Se utilizan cuando se necesita una caída de tensión directa muy pequeña (0,3 V típicos) para circuitos con tensiones reducidas de salida. No soportan tensiones inversas superiores a 50 – 100 V.
Diodos de recuperación rápida: Son adecuados
en circuitos de frecuencia elevada en combinación con interruptores
controlables, 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 inversas (trr) de pocos
nanosegundos.
Diodos
rectificadores o de frecuencia de línea: La tensión en el estado de conducción
(ON) de estos diodos es la más pequeña posible, y como consecuencia tienen un
trr grande, el cual es únicamente aceptable en aplicaciones de la frecuencia de
línea. Estos diodos son capaces de bloquear varios kilovoltios y conducir
varios kiloamperios. Se pueden conectar en serie y/o paralelo para satisfacer
cualquier rango de tensión o de corriente.
Tiristores
El
nombre de Tiristor proviene de la palabra griega “ηθνρα”, que significa “una
puerta”. El tiristor engloba una familia de dispositivos semiconductores que
trabajan en conmutación, teniendo en común una estructura de cuatro capas
semiconductoras en una secuencia P-N-P-N, la cual presenta un funcionamiento
biestable (dos estados estables). La conmutación desde el estado de bloqueo
(“OFF”) al estado de conducción (“ON”) se realiza normalmente por una señal de
control externa. La conmutación desde el estado “ON” al estado “OFF” se produce
cuando la corriente por el tiristor es más pequeña que un determinado valor,
denominada corriente de mantenimiento, (“holding current”), específica para
cada tiristor. Dentro de la familia de los tiristores podemos destacar los SCRs
(tiristores unidireccionales) y TRIACs (tiristores bidireccionales).
SCR (Rectificador Controlado de Silicio)
De las
siglas en inglés “Silicon Controlled Rectifier”, es el miembro más conocido de
la familia de los tiristores. En general y por abuso del lenguaje es más
frecuente hablar de tiristor que de SCR. El SCR es uno de los dispositivos más
antiguos que se conocen dentro de la Electrónica de Potencia (data de finales
de los años 50). Además, continua siendo el dispositivo que tiene mayor
capacidad para controlar potencia (es el dispositivo que permite soportar mayores
tensiones inversas entre sus terminales y mayor circulación de corriente). El
SCR está formado por cuatro capas semiconductoras, alternadamente P-N-P-N,
teniendo 3 terminales: ánodo (A) y cátodo (K), por los cuales circula la
corriente principal, y la puerta (G) que, cuando se le inyecta una corriente,
hace que se establezca una corriente en sentido ánodo-cátodo.
TRIAC
El
TRIAC (“Triode of Alternating Current”) es un tiristor bidireccional de tres
terminales. Permite el paso de corriente del terminal A1 al A2 y viceversa, y
puede ser disparado con tensiones de puerta de ambos signos. Cuando se trabaja
con corriente alterna, es interesante poder controlar los dos sentidos de
circulación de la corriente. Evidentemente, con un SCR, sólo podemos controlar
el paso de corriente en un sentido. Por tanto uno de los motivos por el cual
los fabricantes de semiconductores han diseñado el TRIAC ha sido para evitar
este inconveniente. El primer TRIAC fue inventado a finales de los años 60.
Simplificando su funcionamiento, podemos decir que un TRIAC se comporta como
dos SCR en anti paralelo (tiristor bidireccional). De esta forma, tenemos
control en ambos sentidos de la circulación de corriente. La figura 2.9 muestra
el esquema equivalente de un TRIAC.
GTO (“Gate Turn-Off Thyristor”)
A pesar de que el GTO fue inventado en el
inicio de la década de los años 60, ha sido poco empleado debido a sus
reducidas prestaciones. Con el avance de la tecnología en el desarrollo de
dispositivos semiconductores, se han encontrado nuevas soluciones para mejorar
tales componentes que hacen que hoy ocupen una franja significa dentro de la
electrónica de potencia, especialmente en aquellas aplicaciones de elevada
potencia, con dispositivos que alcanzan los 5000 V y los 4000 A. Como se ha
visto en los apartados anteriores, uno de los inconvenientes de los tiristores
tipo SCR o TRIAC es que no tenemos control externo por parte del usuario del
paso de conducción a bloqueo. Para aquellas aplicaciones en las que nos
interese poder bloquear un interruptor de potencia en cualquier instante es
necesario utilizar otro tipo de semiconductores diferentes a los SCRs o TRIACs.
El GTO es un tiristor con capacidad externa de
bloqueo. La puerta permite controlar las dos transiciones: paso de bloqueo a
conducción y viceversa. El símbolo utilizado para el GTO se muestra en la
siguiente figura (Fig. 2.12), así como su estructura interna en dos
dimensiones.
Transistores
Transistores
En
Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como
interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se
diseñan para que éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la
zona de corte (bloqueo). Esto difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones
de los transistores, como por ejemplo, un circuito amplificador, en el que el
transistor trabaja en la zona activa o lineal. Los transistores tienen la
ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por ejemplo, el SCR o
el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de
transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los
transistores BJT, los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los
transistores de unión bipolar de puerta aislada (IGBT). A continuación veremos
cada uno de ellos.
Transistor Bipolar de Potencia (TBP)
Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction
Transistors”), básicamente se trata de interruptores de potencia controlados
por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos fundamentales, los
“npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y
utilizados son los primeros. bipolares.
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect
Transistors)
Así como podemos decir que el transistor
bipolar se controla por corriente, los MOSFET son transistores controlados por
tensión. Ello se debe al aislamiento (óxido de Silicio) de la puerta respecto
al resto del dispositivo. Existen dos tipos básicos de MOSFET, los de canal n y
los de canal p, si bien en Electrónica de Potencia los más comunes son los
primeros, por presentar menores pérdidas y mayor velocidad de conmutación,
debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros.
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
El
transistor IGBT, de las siglas en inglés “Isolated Gate Bipolar Transistor”, es
un dispositivo híbrido, que aprovecha las ventajas de los transistores
descritos en los apartados anteriores, o sea, el IGBT reúne la facilidad de
disparo de los MOSFET con las pequeñas pérdidas en conducción de los BJT de potencia.
La puerta está aislada del dispositivo, con lo que se tiene un control por
tensión relativamente sencillo. Entre el colector y el emisor se tiene un
comportamiento tipo bipolar, con lo que el interruptor es muy cercano a lo
ideal. La figura 2.24 muestra la simbología para este tipo de transistores.
Su velocidad de conmutación, en principio,
similar a la de los transistores bipolares, ha crecido en los últimos años,
permitiendo que funcione a centenas de kHz, en componentes para corrientes del
orden de algunas decenas de Amperios.
Comparación entre los diferentes transistores
de potencia
A
continuación se presenta una breve tabla de comparación de tensiones,
corrientes, y frecuencias que pueden soportar los distintos transistores
descritos.
Los valores mencionados no son exactos, dada
la gran disparidad que se puede encontrar en el mercado. En general, el
producto tensión-corriente es una constante (estamos limitados en potencia), es
decir, se puede encontrar un MOSFET de muy alta tensión pero con corriente
reducida. Lo mismo ocurre con las frecuencias de trabajo. Existen bipolares de
poca potencia que trabajan tranquilamente a 50kHz, aunque no es lo más usual.
En la siguiente tabla se añaden otras
características importantes a tener en cuenta en el diseño de circuitos de
electrónica de potencia.
Cuestionario
1. ¿Qué es la Electrónica de Potencia?
Se encarga de convertir a adaptar la electricidad para controlar la funcionalidad de máquinas eléctricas, alimentar a diferentes equipos, además de transportar electricidad.
- 3. En general los sistemas de potencia se utilizan para accionar cualquier dispositivo que necesite una entrada de energía eléctrica distinta a la que suministra la fuente de alimentación primaria.
Dispositivo no controlado que permite la circulación de corriente en un único sentido
